Innovative Abwärmenutzung aus Rechenzentren in Hessen am Beispiel von Offenbach

Abstract

Im Rahmen der Projektlaufzeit wurde ein Rechenmodell entwickelt, das zur Planung und Berechnung von Abwärmepotenzialen in RZ genutzt werden kann. Dafür sind die gängigen Methoden der Serverraumkühlung sowie technisch umsetzbare Varianten der Abwärmenutzung programmtechnisch abgebildet worden. Die zuvor identifizierten, gängigen Kühlmethoden wurden einander gegenübergestellt, um das Optimierungspotenzial für ein theoretisches Rechenzentrum hinsichtlich der Effizienzkennzahlen im Offenbacher Fernwärme-Versorgungsgebiet zu untersuchen. Ohne Abwärmenutzung liegt der Anteil des gesamten Stromverbrauchs zum reinen Verbrauch der IT-Systeme (PUE) abhängig von der Kühlmethode im Bereich von 1,27 – 1,39 bei luftgekühlten Systemen und bei 1,16 beim flüssiggekühlten System. Der Einfluss unterschiedlicher Kühltechnologien und Systemoptionen zur Abwärmeauskopplung auf die Energieeffizienz eines RZ kann mit dem Rechenmodell quantifiziert werden. Der Anteil nutzbarer Abwärmemengen am gesamten Energiebedarf (ERF) eines 20 MW RZ liegt je nach Kühltechnologie zwischen 39 – 46 % bei luftgekühlten Systemen und über 50 % beim flüssiggekühlten System, wenn es in ein FW-Netz mit 60°C einspeisen kann, welches einen Jahresbedarf von etwa 140 GWh aufweist. Das Rechenmodell wurde für einen spezifischen Fall an die RZ (Maincubes und Main DC1) angepasst von denen die meisten Angaben zur Ausstattung und Anlagenführung in Erfahrung gebracht werden konnte. Beide befinden sich auf dem Campusgelände der EVO, wodurch sie sich für eine Betrachtung der Abwärmenutzung besonders gut eignen. Mit Ergebnissen der Jahressimulationen beider RZ wurden Speicherbedarfe am Ort der Einspeisung untersucht. Dabei zeigt sich der Einfluss des saisonalen Engpasses im FW-Netz auf die Menge der nutzbar gemachten Abwärme. Als alleinige Einspeiser können die zwei RZ ERF zwischen 0,35 und 0,44 erreichen, wohingegen bei gemeinsamer Einspeisung nur noch 0,22 bis 0,28 möglich waren. Im Gegensatz dazu sind Werte von 0,7 bis 0,8 möglich, wenn kein Engpass besteht. Diese Ergebnisse resultieren aus der Einspeisung der Abwärme bei 80°C der beiden RZ am Einspeisepunkt ins FW-Netz. Bei der Betrachtung des Speicherbedarfs zeigt sich, dass die freie Kapazität am Einspeisepunkt (ca. 71 GWh) zu gering ist, um die Abwärme der beiden RZ in einem Ausmaß aufzunehmen, dass sie beide mit Einsatz entsprechend großen saisonalen Speichern einen ERF von 30 – 40 % erreichen könnten. Das unterstreicht die Wichtigkeit der Aufnahmefähigkeit der Wärmesenke bei der Abwärmenutzung. Ein Ausbau der FW-Netz ist langfristig gesehen sinnvoll, um die bereits bestehenden RZ ans Netz anschließen zu können. Zukünftige RZ müssen bei der Standortwahl auf ausreichende Kapazitäten zur Abwärmenutzung achten oder Wärmenetzbetreibern in die Planung der RZ einbeziehen. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung aus Sicht des Betreibers für das Main DC1 RZ zeigt, dass Abwärmenutzung ohne Förderung nicht wirtschaftlich darstellbar ist. Je nach Quelle des eingesetzten Stroms (fossil oder erneuerbar) können jedoch durch die Umsetzung CO 2 -Einsparungen in Höhe von ca. 9.000 – 18.000 t CO2 /a erzielt werden. Bei steigendem Anteil der nutzbar gemachten Abwärme an der Erzeugung der Fernwärme würde der CO 2 -Emissionsfaktor für Fernwärme sukzessive sinken. Zur Unterstützung der Arbeiten wurden im Rahmen des Vorhabens vom Borderstep Institut eine Analyse der Marktentwicklungen bei Rechenzentren in Hessen durchgeführt [40]. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass aktuell die Kapazitäten der RZ in Hessen jährlich um etwa 10 % wachsen. Im Jahr 2021 hatten die RZ in Hessen einen Stromverbrauch von 4.900 GWh/a. Bis zum Jahr 2030 kann dieser, wenn der Boom beim Ausbau der Rechenzentren anhält, bis auf 8.300 GWh/a ansteigen. Dabei konzentriert sich das Wachstum insbesondere in der Region Frankfurt Rhein/Main. Auf Basis der Ergebnisse der Marktstudie, der Analyse von Hemmnissen bei der Realisierung von Abwärmenutzungsprojekten und der Diskussionen im Rahmen eines Stakeholder-Workshops mit über 80 Teilnehmenden am 12.1.2023 in Frankfurt wurde eine Roadmap „Abwärmenutzung aus Rechenzentren in Hessen“ entworfen, die Maßnahmen vorschlägt, wie die Abwärmenutzung aus Rechenzentren künftig forciert werden kann.