Moderne Rechenzentren sind durchgehend in Betrieb - 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche, 365 Tage im Jahr - und unterstützen Unternehmen, Behörden und Privatpersonen bei der Datenverarbeitung und -speicherung. Bei all diesen Rechenaktivitäten entsteht erhebliche Wärme, die abgeführt werden muss, um die Geräte auf optimalen Temperaturen zu halten. Anstatt diese Wärmeabgabe als Abfall zu behandeln, wird bei der Wärmerückgewinnung in Rechenzentren (oft als "Wärmerückgewinnung" bezeichnet) versucht, diese Wärmeenergie aufzufangen, wiederzuverwenden und zu verteilen, um sie anderweitig zu nutzen. Auf diese Weise können die Betreiber die Gesamtenergieeffizienz verbessern, wie in unserem Nachhaltigkeit von Rechenzentren Artikel, die Verringerung des CO2-Fußabdrucks und potenziell niedrigere Betriebskosten.
Warum Rechenzentren so viel Wärme erzeugen
Rechenzentren beherbergen Racks mit Servern und zugehöriger Hardware, die enorme Mengen an Informationen verarbeiten. Diese Server verbrauchen große Mengen an elektrischer Energie, die letztlich fast vollständig in Wärme umgewandelt wird.
Die Kühlungsinfrastruktur - Kältemaschinen, Klimaanlagen oder Kühlkreisläufe - leitet diese Wärme ab, um die Betriebstemperaturen stabil zu halten. In vielen konventionellen Rechenzentrumsentwürfewird diese aufgefangene Wärme einfach an die Außenluft abgegeben.
Wird die Abwärme jedoch umgelenkt, kann sie als Wärmeenergiequelle dienen - insbesondere für Einrichtungen mit großem, vorhersehbarem Wärmebedarf wie Universitäten, Industrieprozesse, Kommunen oder Fernwärmesysteme.
Definition von Wärmerückgewinnung oder Wärmerückgewinnung
Bei der Wärmerückgewinnung in Rechenzentren wird die Abwärme von Geräten (Server, Netzteile usw.) aufgefangen und für produktive Anwendungen genutzt. Einige Beispiele hierfür sind:
- Raumheizung für Wohn- und Geschäftsgebäude
- Heizung für Haushalte oder Fernwärme
- Prozesswärme für leichte industrielle oder landwirtschaftliche Betriebe
- Schneeschmelzen und Beheizung von Außen- und Innenpools, wobei erwärmtes Wasser durch eingebettete Rohre zirkuliert, um Gehwege/Straßen von Eis zu befreien und eine angenehme Pooltemperatur zu gewährleisten
- Integration von Wärmepumpen zur Erhöhung der Temperatur für die Fernnetze bei gleichzeitiger Bereitstellung von Kaltwasser für die IT-Racks (Trigeneration)
Direkte Absorptionskälte oder Wärmeverstromung ist bei diesen Temperaturen mit der heutigen Technologie und den heutigen Trends im Allgemeinen nicht praktikabel und wird daher von der Liste der empfohlenen Anwendungsfälle ausgeschlossen. Allerdings können Ströme mit niedrigeren Temperaturen immer noch in bestehende Energierückgewinnungs- oder Economizer-Systeme eingespeist werden, um die Gesamteffizienz zu steigern.
Ein gut durchdachtes Wärmerückgewinnungssystem ist nicht nur ressourcenschonend, sondern fördert auch mehr energieeffizient Rechenzentren, wodurch die Versorgungskosten gesenkt werden können und sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Vorteile entstehen.
Wachsende europäische Nachfrage und potenzielle Größe
Die Wärmenachfrage in Europa wird aufgrund des Bevölkerungswachstums und des wachsenden industriellen Bedarfs voraussichtlich weiter steigen. Verschiedenen Energieprognosen zufolge könnte der Gesamtwärmebedarf in den großen Volkswirtschaften über 2236 TWh/Jahr bis 2030, wobei der Schwerpunkt zunehmend auf kohlenstoffarmen oder rückgewonnenen Wärmequellen liegt.
Systeme zur Wiederverwendung von Wärme in Rechenzentren - insbesondere solche, die in Fernwärmenetze integriert sind - bieten die Möglichkeit, einen Teil dieses Bedarfs nachhaltig zu decken.
EU-Wärmenutzungsanforderungen, 2025 → 2030 (Endenergie, TWh / Jahr)
* Raumwärmebedarf und Wasser-Heizungsbedarf sind die End-Energie Anforderungen für alle EU-28-Länder sowie CH, IS und NO im Rahmen der "aktuelle Politik" Szenario entwickelt für die EU Kartierung und Analyse des aktuellen und zukünftigen Heiz- und Kühlbedarfs Studie. Die Werte für 2030 und 2020 sind in der Studie explizit angegeben; die dazwischen liegenden Jahre werden durch lineare Interpolation des Trends 2020→2030 berechnet, so dass jede Zeile zwischen 2025 und 2029 faktisch eine Schätzung erster Ordnung ist.
** Die Gebäude Gesamt In der Spalte "Heizen" werden der Raumwärme- und der Warmwasserbedarf zusammengefasst - diese beiden Verwendungszwecke machen den größten Teil des Niedertemperaturwärmebedarfs in den europäischen Wohn- und Dienstleistungssektoren aus.
Was die Zahlen bedeuten
- Die Raumheizung ist nach wie vor der bei weitem wichtigste Endverbraucher in europäischen Gebäuden, aber durch politische Effizienzsteigerungen wird die Nachfrage zwischen 2025 und 2030 um ≈ 150 TWh (-7 %) reduziert.
- Der Bedarf an Warmwasserbereitung ist vergleichsweise flach und sinkt im gleichen Zeitraum nur um -6 TWh (-1 %).
- Der kombinierte Wärmeverbrauch in Gebäuden liegt 2030 immer noch bei über 2,2 PWh pro Jahr - ein Reservoir an geringem Bedarf, das durch Abwärmeprojekte in Rechenzentren genutzt werden kann.
Obwohl die ursprüngliche Studie vor der aktuellen Energiepreiskrise erstellt wurde, bleibt sie die vollständigster öffentlicher Datensatz mit Prognosen zum Wärmebedarf in absoluten Energieeinheiten (TWh). Das Szenario berücksichtigt bereits die EU-Energieeffizienzrichtlinie, die Ökodesign-Verordnungen und die nationalen Gebäudesanierungsprogramme, so dass der oben dargestellte Abwärtstrend die politisch motivierte Nachrüstung und effizientere Warmwassersysteme widerspiegelt.
Industrieller Prozesswärmebedarf in Europa (EU-28 + CH, IS, NO)
* Industrielle Prozesswärme (TWh) entspricht dem Prozesswärme Spalte in der Studie der Europäischen Kommission Kartierung und Analyse des aktuellen und zukünftigen (2020-2030) Einsatzes von Heiz- und Kühlbrennstoffen (Arbeitspaket 3).
Die obigen Zahlen für 2025-2029 sind lineare Interpolationen des in der Studie ermittelten Trends 2020-2030.
- Prozesswärme ist bereits das größter einzelner Wärme-Endverbraucher im europäischen Industriesektor und wird den Prognosen zufolge zwischen 2020 und 2030 leicht ansteigen (≈ +1,8 %) trotz Effizienzsteigerungen, die auf eine höhere Produktion in den Teilsektoren Nahrungsmittel, Chemie und Papier zurückzuführen sind.
- Bis 2030 wird die industrielle Prozesswärme für ~36 % des gesamten Wärmeverbrauchs der EU (im Vergleich zu 31 % im Jahr 2012).
- Unter ~2,2 PWhDer Umfang der industriellen Wärme ist mit dem des gesamten Gebäudesektors vergleichbar, was unterstreicht, warum selbst ein bescheidener Anteil der Wärmerückgewinnung in Rechenzentren Auswirkungen auf Systemebene haben kann.
- Fast die Hälfte dieses industriellen Bedarfs liegt unter 200 °C, was technisch mit großen Wärmepumpen kompatibel ist, die mit der Abwärme von Rechenzentren gespeist werden.
Diese Zahlen bieten eine faktische Grundlage für die Anpassung von Projekten zur Wärmerückgewinnung in Rechenzentren an den wachsenden industriellen Wärmebedarf im Nieder- und Mitteltemperaturbereich in Europa bis 2030.
Mögliche Anwendungen
- Fern- oder Raumheizung - In kalten Klimazonen kann die zurückgewonnene Wärme des Rechenzentrums an nahe gelegene Wohn- oder Geschäftsgebäude weitergeleitet werden, wodurch die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert wird. Dieses Modell wird häufig mit Fernwärmenetzen verknüpft, die zentral Warmwasser/Dampf erzeugen oder sammeln und an ganze Stadtteile verteilen.
- Industrielle Verarbeitung - Einige Fertigungsprozesse benötigen geringe bis mittlere Wärme, was sie zu idealen Empfängern für das warme Wasser macht, das ein Rechenzentrum verlässt.
- Warmwasserbereitung für Haushalte oder Fernwärme - Überschüssige Wärme kann die Temperatur des einströmenden Kaltwassers für Küchen, Bäder oder ganze Wohnhäuser erhöhen.
- Landwirtschaftliche oder tierzüchterische Einrichtungen - Gewächshäuser, Hydrokulturfarmen, Brütereien oder Viehzuchtbetriebe profitieren oft von einer stabilen Heizungsumgebung, was die Wärme für Rechenzentren zu einer attraktiven Option macht.
- Verwendung als Vorwärmung
Wie man Wärme aus einem Rechenzentrum zurückgewinnt
Wärmeaustausch und Kühlkreisläufe
Strategischer Einsatz von Wärmepumpen
Wärmepumpen können die Temperatur von ansonsten minderwertiger Wärme erhöhen, so dass sie sich besser für Hochtemperaturanforderungen wie Dampferzeugung oder robuste Fernwärme eignet. Wie in " erörtertStrategische Platzierung von Wärmepumpen in Rechenzentren: Ausgewogene PUE- und ERF-Metriken,"Die optimale Platzierung der Pumpen sorgt für ein Gleichgewicht zwischen der Gesamteffizienz der Energienutzung (PUE) und dem Energiewiederverwendungsfaktor (ERF), so dass ein Maximum an Wärme aufgefangen wird, ohne den Stromverbrauch des Rechenzentrums signifikant zu erhöhen.
Thermische Energiespeicherung
Wenn der Wärmebedarf in Echtzeit nicht mit der Leistung des Rechenzentrums übereinstimmt, Speicher für thermische Energie (TES) können die zurückgewonnene Wärme speichern und später in Abhängigkeit vom Spitzenbedarf abgeben. Richtig konzipierte TES-Tanks und Diffusoren helfen bei der Regulierung von Durchflussmengen, Speicherkapazität und Temperatur.
Kriterien für ein erfolgreiches Wärmerückgewinnungssystem
- Anpassung von Wärmeangebot und -nachfrage
Rechenzentren produzieren in der Regel eine konstante, gleichmäßige Wärmeleistung, während der Wärmebedarf je nach Standort und Jahreszeit variiert. Die Betreiber müssen die Kapazitäten und die Zeitplanung aufeinander abstimmen, um eine gleichmäßige Nutzung zu gewährleisten - oder das Rechenzentrum mit einem geeigneten Speichersystem verbinden, um Schwankungen abzufangen. - Entfernung und Infrastruktur
Größere Entfernungen zwischen dem Rechenzentrum und den Wärmeempfängern können die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen, da die Leitungsinfrastruktur teuer ist und die Wärmeverluste mit der Transportentfernung zunehmen. - Kosten der Durchführung
Die Nutzung von Abwärme und ihre Verteilung (oder die Anhebung der Temperaturen mit Wärmepumpen) erfordert Investitionen in Geräte, Rohrleitungen, Steuerungen und mögliche Änderungen an der bestehenden Infrastruktur. - Regulatorische und ökologische Kriterien
Örtliche Bauvorschriften, Umweltbestimmungen und Fernwärme-Richtlinien können die Wiederverwendung von Wärme in Rechenzentren erleichtern oder erschweren. Einige Regionen bieten Anreize oder vereinfachte Genehmigungen für die Umsetzung von Abwärmeprojekten. - Metriken für Wärmerückgewinnungssysteme
Neben dem PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) verfolgen die Betreiber von Rechenzentren zunehmend auch den ERF-Wert (Energy Reuse Factor), um zu ermitteln, wie viel Energie insgesamt produktiv genutzt wird. Ein effektives Gleichgewicht zwischen beiden Messgrößen ist der Schlüssel zum Erreichen einer umfassenden Nachhaltigkeit.
Metriken für Wärmerückgewinnungssysteme, die für Rechenzentren relevant sind
Eine effektive Wärmerückgewinnung in Rechenzentren erfordert quantifizierbare Metriken die verfolgen, wie viel Energie eingespart, umgewidmet und letztlich eingespart wird. Während Stromverbrauchseffektivität (PUE) nach wie vor die gängigste Messgröße für die Gesamteffizienz von Rechenzentren ist, haben sich zusätzliche Messgrößen entwickelt, die die Wirksamkeit der Abwärmeerfassung und -wiederverwendung zu erfassen.
Stromverbrauchseffektivität (PUE)
- Definition: PUE = (Gesamtleistung der Einrichtung) / (Leistung der IT-Ausrüstung)
- Relevanz: Stromverbrauchseffektivität PUE gibt an, wie effektiv die Gesamtenergie des Rechenzentrums genutzt wird, berücksichtigt aber nicht ausdrücklich die Wiederverwendung von Wärme. Eine niedrigere PUE bedeutet weniger Nicht-IT-Overhead (wie Kühlung). Dennoch können sich Änderungen der Wärmerückgewinnungsstrategien leicht auf den Stromverbrauch der Einrichtung und damit auf die PUE auswirken.
Energie-Wiederverwendungs-Faktor (ERF)
- Definition: ERF = (Wiederverwendbare Energie) / (In das Rechenzentrum importierte Gesamtenergie)
- Relevanz: Mit dieser Kennzahl wird gemessen, wie viel des gesamten Energiebedarfs des Rechenzentrums aufgefangen und nutzbringend verwendet wird, z. B. für die Beheizung eines nahe gelegenen Geländes. Je näher der ERF an 1,0 liegt, desto effektiver ist die Wärmerückgewinnung.
Hinweis: Wie beschrieben in "Strategische Platzierung von Wärmepumpen in Rechenzentren: Abwägen von PUE- und ERF-KennzahlenEin optimiertes Wärmerückgewinnungssystem kann den ERF erhöhen, während es die PUE nur geringfügig beeinflusst.
Effektivität der Energiewiederverwendung (ERE)
- Definition: ERE = (Gesamtenergie der Anlage - Wiederverwendungsenergie) / Energie der IT-Ausrüstung
- Relevanz: ERE ist eine von The Green Grid empfohlene Variante, bei der versucht wird, den Nutzen der Wärmerückgewinnung in ein PUE-ähnliches Maß einzubeziehen. Wenn ein Rechenzentrum eine beträchtliche Menge an Energie wiederverwendet (z. B. durch Fernwärme), kann ERE theoretisch unter 1,0 sinken, was eine positive Auswirkung auf die Umwelt darstellt.
Effektivität der Kohlenstoffnutzung (CUE)
- Definition: CUE = (Gesamte CO₂-Emissionen, die durch das Rechenzentrum verursacht werden) / Energie der IT-Ausrüstung
- Relevanz: Es handelt sich zwar nicht um eine reine Wärmenutzungskennzahl, Effektivität der Kohlenstoffnutzung (CUE) hilft bei der Quantifizierung der Emissionssenkungen, die durch die Kompensation der fossilen Heizung mit Abwärme entstehen. Ein Rechenzentrum mit robuster Wärmerückgewinnung senkt potenziell die Gesamt-CO₂-Belastung für sich selbst und nachgeschaltete Nutzer.
Effektivität der Wassernutzung (WUE)
- Definition: Effektivität der Wassernutzung (WUE) = (Jährlicher Wasserverbrauch am Standort in Litern) / (Energie der IT-Ausrüstung in kWh)
- Relevanz: Einige Wärmerückgewinnungssysteme integrieren moderne Kühl- und Befeuchtungssysteme oder nutzen Wassersysteme. Eine Verlagerung des Wasserverbrauchs aufgrund alternativer Kühlkonzepte (zur besseren Wärmeerfassung) könnte den WUE-Wert beeinflussen.
Kapitalrendite (ROI) / Amortisationsdauer
- Definition: Wirtschaftliches Maß, das angibt, wie lange es dauert, bis die Kosteneinsparungen des Wärmerückgewinnungssystems die Anfangsinvestitionen ausgleichen.
- Relevanz: Obwohl es sich hierbei nicht um eine technische Kennzahl handelt, ist die Kapitalrendite (ROI) von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, den wirtschaftlichen Nutzen der Installation oder Aufrüstung von Wärmerückgewinnungsanlagen zu bestätigen.
Abwägung zwischen Effizienz und Wiederverwendung
In der Praxis müssen die Betreiber von Rechenzentren unter Umständen Bilanz konventionelle Effizienzkennzahlen (wie PUE) mit neuen Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung (wie ERF oder ERE). Das Hinzufügen zusätzlicher Geräte (z. B. Wärmetauscher, Wärmepumpen) kann die Energiekosten des Rechenzentrums geringfügig erhöhen, was den PUE-Wert in die Höhe treiben könnte. Wenn jedoch große Mengen an Energie produktiv auf andere Prozesse übertragen werden, kann der ökologische und wirtschaftliche Gesamtnutzen den internen PUE-Nachteil bei weitem überwiegen. Die Auswahl der richtigen mischen von Kennzahlen - PUE für die Effizienz, ERF/ERE für die Wärmerückgewinnung und möglicherweise CUE zur Erfassung der Emissionen - bietet ein vollständigeres Bild der Nachhaltigkeit von Rechenzentren.
Politiken und Vorschriften
Europäische Union (EU)
- Mandate und Anreize: Die EU hat verschiedene Richtlinien zur Förderung von Energieeffizienz und erneuerbaren Wärme-/Kältelösungen erlassen. Projekte zur Rückgewinnung von Abwärme - wie die Wärmerückgewinnung in Rechenzentren - werden häufig von der Regierung unterstützt.
- Fernwärmenetze: Viele europäische Länder verfügen über ausgedehnte Fernwärmesysteme, die eine nahtlose Integration der Wärmeversorgung von Rechenzentren ermöglichen.
- Kohlenstoff-Ziele: Die EU-Politik legt großen Wert auf CO₂-Reduzierung und kann von großen Energieverbrauchern verlangen, Effizienzmaßnahmen nachzuweisen.
Vereinigte Staaten (USA)
- Staatliche Regulierung nach Bundesstaaten: Energiepolitische Maßnahmen und Anreize sind von Staat zu Staat sehr unterschiedlich. Einige Staaten fördern die Integration von Fernwärme und gewähren Zuschüsse oder Steuererleichterungen, in anderen gibt es weniger Anreize.
- Marktgesteuerte Ansätze: Statt breiter staatlicher Vorgaben sind es private und lokale Initiativen, die die Wärmerückgewinnung in Rechenzentren vorantreiben. Führende Technologieunternehmen setzen sich oft für Nachhaltigkeit ein, um die Ziele der Unternehmensverantwortung zu erreichen.
- Herausforderungen für die Infrastruktur: Fernwärmeinfrastrukturen sind weniger verbreitet als in Europa, obwohl sie in einigen Gemeinden und Universitäten vorhanden sind.
Vergleich
- Das ordnungspolitische Umfeld in der EU bietet mehr direkte Rahmenbedingungen und finanzielle Unterstützung für die Wiederverwendung von Wärme, was teilweise auf die größere Verbreitung von Fernwärmenetzen zurückzuführen ist.
- Der Ansatz in den USA ist eher fragmentiert - es gibt erhebliche Möglichkeiten, aber sie hängen oft von den lokalen Bedingungen, den Versorgungsstrukturen und den Nachhaltigkeitsverpflichtungen der Unternehmen ab.
Nachhaltigkeit und Zukunftsorientierung
Aktuelle Technologie
Die Betreiber von Rechenzentren verwenden zunehmend ausgeklügelte Kühlungskonzepte (z. B. Flüssigkeitskühlung), die eine gleichmäßigere Abwärme mit höherer Temperatur erzeugen, was die Wiederverwendung vereinfacht. Wärmepumpen und fortschrittliche Steuerungen verfeinern die Versorgungstemperatur und den Durchfluss weiter.
- Integration von Fernwärme: Mehr Rechenzentren werden in der Nähe von Städten oder Industriegebieten angesiedelt, die große Wärmemengen aufnehmen können.
- Politische Entwicklung: Sowohl die EU als auch verschiedene US-Bundesstaaten werden wahrscheinlich Anreize verbessern oder schaffen, um das Genehmigungsverfahren für Abwärmeprojekte zu vereinfachen.
- Aufkommende Technologien: Die direkte Stromerzeugung vor Ort aus Wärme (über organische Rankine-Zyklen) oder fortgeschrittene thermoelektrische Systeme könnte sich ausweiten.
- Modulare Einsätze: Vorgefertigte Rechenzentrumsmodule mit eingebauter Wärmerückgewinnungsfunktion könnten die Einführung beschleunigen, insbesondere bei kleineren Edge-Rechenzentren.
Zukunftssichere Rechenzentren für die vorgeschriebene Wärmerückgewinnung
Freisetzung von Wärme höherer Qualität mit Flüssigkeitskühlung
Schlussfolgerung
Die Wiederverwendung von Wärme in Rechenzentren steht an der Schnittstelle von Effizienz, Nachhaltigkeit und wirtschaftlichen Möglichkeiten. Wenn sie mit gut aufeinander abgestimmten Verbrauchern von Wärmeenergie - seien es Fernwärmenetze, industrielle Prozesse oder landwirtschaftliche Einrichtungen - in Einklang gebracht werden, können die Betreiber von Rechenzentren die Verschwendung erheblich reduzieren, die PUE- und ERF-Kennzahlen (oder ERE) verbessern und die Abhängigkeit von der Wärmeerzeugung mit fossilen Brennstoffen verringern.
Die Umsetzung erfordert zwar eine sorgfältige Koordinierung von Entfernung, Infrastruktur, Abstimmung von Angebot und Nachfrage und Einhaltung der Vorschriften, doch die Vorteile sind beträchtlich: geringere CO2-Bilanz, niedrigere Betriebskosten und auf die Gemeinschaft abgestimmte Lösungen für saubere Energie.
Erschließen Sie den Wert, der sich in Ihrem Serverraum verbirgt
Für Designteams, die an einem tieferen technischen Einblick interessiert sind, sind Artikel wie "Strategische Platzierung von Wärmepumpen in Rechenzentren: Abwägen von PUE- und ERF-Kennzahlen" beleuchten das Zusammenspiel von effizienter Kühlung und Wärmeerfassung, während "Thermische Energiespeichertanks" (und verwandte Konstruktionshinweise) beschreiben Methoden zur Pufferung der Wärmeabgabe für eine spätere Nutzung.
Sowohl in der EU als auch in den USA wird die Wärmerückgewinnung in Rechenzentren zu einer immer wichtigeren Komponente nachhaltiger Energiestrategien und ebnet den Weg zu einer umweltfreundlicheren, besser vernetzten Infrastruktur.
Kompetenz in Wärmepumpen für Ihr Rechenzentrum
Azura Consultancy ist der Partner, der Wärmerückgewinnung vom Schlagwort zum Gewinn macht. Unsere akkreditierten Tier-IV-Rechenzentrumsdesigner, Fernwärme-Ingenieure und TES-Spezialisten arbeiten als ein Team - sie kartieren Ihre Wärmeströme, optimieren PUE und ERF, sichern Anreize und liefern voll integrierte Wärmerückgewinnungsanlagen, die sich selbst amortisieren. Von der Machbarkeits- und CFD-Modellierung bis hin zur schlüsselfertigen Bauüberwachung haben wir Hyperscaler, Colos und Smart-City-Entwickler dabei unterstützt, die Betriebskosten zu senken, den Kohlenstoffausstoß zu reduzieren und durch den Verkauf sauberer Wärme an benachbarte Netze neue Einnahmequellen zu erschließen. Wenn Sie ein Rechenzentrum wollen, das Geld verdient, während es kühlt, sprechen Sie mit Azura - hier trifft Nachhaltigkeit auf grundsolide Technik.
