Wärmerückgewinnung in Rechenzentren

Transkript

1 Wärmerückgewinnung in Rechenzentren Beitrag Grünbuch Version: 1.0 Status: Entwurf Stand: BMWi

2 Inhaltsverzeichnis 0 DOKUMENTENMANAGEMENT Versionen Ansprechpartner Referenzen EINLEITUNG WÄRMEERZEUGUNG IN RECHENZENTREN Energieverbrauch der Rechenzentren in Deutschland Möglichkeiten zur Nutzung Abwärme SZENARIEN ZUR NUTZUNG DER ABWÄRME VON RECHENZENTREN Voraussetzungen Nutzungsszenarien Lokale Nutzung Nutzung im direkten Umkreis Nutzung im weiteren Umkreis REGULATORISCHE ASPEKTE Bestehende Fernwärme Förderung von BHKW Förderung von Flächenheizungen Innovative Fernwärmekonzepte FAZIT GLOSSAR Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Energieverbrauch in Rechenzentren... 5 Abbildung 2: Anteile des Energieverbrauchs nach Anwendungsgebieten... 6 Abbildung 3: Hot-Fluid-Konzept der Thomas Krenn AG... 8 Abbildung 4: Einspeisung von Wärme aus Rechenzentren in Wärmenetze (Quelle: Fortum)... 9 Abbildung 5: Preisbildung für RZ-Abwärme in Abhängigkeit von der Außentemperatur in Stockholm 12 Tabellenverzeichnis Keine Tabellen in diesem Dokument. Version: 1.0 Seite: 2 von 14

3 0 Dokumentenmanagement 0.1 Versionen Version Date Autor Beschreibung / Änderung Ludger Ackermann Dokument erstellt 0.2 Ansprechpartner Funktion Dokument Verantwortlicher Projekt Verantwortlicher Verantwortlicher Management Name Dr. Ludger Ackermann, dc-ce RZ Beratung Staffan Reveman, Reveman Energy Academy 0.3 Referenzen [1] [2] Version: 1.0 Seite: 3 von 14

4 1 Einleitung Das BMWi hat in seinem Grünbuch Energieeffizienz drei Leitlinien für eine Steigerung der Energieeffizienz in Deutschland veröffentlicht: 1. In allen Sektoren muss der Energiebedarf deutlich und dauerhaft verringert werden ( Efficiency First ) 2. Direkte Nutzung erneuerbarer Energien 3. Erneuerbarer Strom wird für Wärme, Verkehr und Industrie effizient eingesetzt (Sektorkopplung) Im Abschnitt Sektorkopplung des Grünbuchs wird beschrieben, wie durch die Verwendung von Abwärme fossil erzeugte Wärme durch erneuerbare Energien ersetzt werden kann. Dazu werden Technologien wie z.b. Wärmepumpen eingesetzt. Das Grünbuch fordert, dass in der Sektorkopplung möglichst effiziente Technologien eingesetzt werden, um möglichst wenig erneuerbaren Strom für die Wärmeerzeugung einsetzen zu müssen. In Rechenzentren stellt Wärme ein Abfallprodukt dar, das möglichst effizient in die umgebende Luft abgeführt wird. Eine Nutzung der Abwärme von Rechenzentren stellt bis heute eine Ausnahme dar. Dabei steigt der Energieverbrauch in Rechenzentren unvermeidlich durch die Digitalisierung, die Nutzung von Big Data, HPC und die Einführung des Internet of Things (IoT) weiter an. In diesem Beitrag zum Grünbuch schlagen wir vor, die Nutzung von Abwärme der Rechenzentren voranzutreiben, damit diese einen Beitrag zur erforderlich Steigerung der Energieeffizienz leisten können. Dabei stellen wir zunächst das Potenzial der in Rechenzentren erzeugten Wärme dar, beschreiben anschließend die technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen, die eine Nutzung der Abwärme mit sich bringen und betrachten abschließend regulatorische Einflüsse, die zu Hemmnissen in der Nutzung der Abwärme führen. Der Bundesgerichtshof definiert den Rechtsbegriff Fernwärme wie folgt: Wird aus einer nicht im Eigentum des Gebäudeeigentümers stehenden Heizungsanlage von einem Dritten nach unternehmenswirtschaftlichen Gesichtspunkten eigenständig Wärme produziert und an andere geliefert, so handelt es sich um Fernwärme. Auf die Nähe der Anlage zu dem versorgenden Gebäude oder das Vorhandensein eines größeren Leitungsnetzes kommt es nicht an Rechtliche Grundlagen Grundlage für die Versorgung mit Fernwärme ist ein Wärmeliefervertrag. Grundlagen hierfür sind unter anderem das BGB und die Verordnung über allgemeine Bedingungen für die Versorgung mit Fernwärme (AVBFernwärmeV) des Bundesministers für Wirtschaft vom 20. Juni 1980, die zuletzt durch Artikel 5 des Gesetzes vom 4. November 2010 (BGBl. I S. 1483) geändert worden ist. Die kombinierte Erzeugung von Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) ist eine Technik, mit der die eingesetzte Energie weit effektiver ausgenutzt wird als bei getrennter Strom- und Wärme-Erzeugung. Eine entsprechend geringere Belastung der Umwelt geht damit einher. Aktuell werden in Deutschland über 80% der Fernwärme in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt. Die Energieeinsparung gegenüber der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme liegt zwischen 30 und 50 Prozent. Das ist ökologisch und volkswirtschaftlich höchst sinnvoll. Noch sinnvoller wäre es die Abwärme der Rechenzentren zu in das Fernwärmenetz zu speisen, somit können wir die Rechenzentren das halbe Jahr fast Energieneutral betreiben. Version: 1.0 Seite: 4 von 14

5 2 Wärmeerzeugung in Rechenzentren 2.1 Energieverbrauch der Rechenzentren in Deutschland Abbildung 1: Energieverbrauch in Rechenzentren Das Potenzial beträgt derzeit ca. 12 Mrd kwh und steigt bis 2025 auf über 15 Mrd kwh. Davon fällt ca. die Hälfte in den Sommermonaten an und kann nicht für Raumwärme genutzt werden. (weil die Heizperiode nur von Oktober bis April geht) 2.2 Möglichkeiten zur Nutzung Abwärme Wohnimmobilien Gewerbeimmobilien Schulen Kindergärten Verwaltungen Nah- und Fernwärmenetze Wäschereien Gewächshäuser Krankenhäuser Schwimmbäder Version: 1.0 Seite: 5 von 14

6 Abbildung 2: Anteile des Energieverbrauchs nach Anwendungsgebieten (Quelle: BMWi) Abwärme aus Rechenzentren kann den hohen Anteil der Raumwärme teilweise ersetzen, zukünftig evtl. auch einen Anteil der Warmwassererzeugung. 12 TWh wären ausreichend um eine Großstadt mit etwa 1,5 Mio Einwohner zu beheizen. Version: 1.0 Seite: 6 von 14

7 3 Szenarien zur Nutzung der Abwärme von Rechenzentren 3.1 Voraussetzungen Aktuell überwiegt die klassische Luftkühlung, bei der kalte Luft durch den Serverraum bewegt wird und die Wärme in Umluftklimageräten in Wasser übertragen wird. Die Temperatur des erwärmten Wassers beträgt ca C. Im High Performance Computing (HPC) wird aufgrund der höheren Leistungsdichte eine direkte Wasserkühlung eingesetzt, die Temperaturen von ca. 60 C erreichen kann. Höhere Leistungsdichte bedeutet, dass auf kleinem Raum so viel Strom in Wärme umgewandelt wird, dass diese Wärme nicht mehr mit Hilfe von Luft abgeführt werden kann. Es wird erwartet, dass die technische Entwicklung von IT Komponenten eine weitere Steigerung der Leistungsdichten auch außerhalb des HPC-Bereichs hervorbringen wird. Dazu ist eine Anpassung der technischen Infrastruktur der Rechenzentren erforderlich, um Wasser nicht nur an den Umluftklimageräten bereitzustellen, sondern auch direkt an den IT Komponenten. Für die Zeit des Übergangs bis zu vollständig wassergekühlten IT Komponenten sind Migrationsszenarien erforderlich, die ein Nebeneinander alter und neuer Technik ermöglichen. 3.2 Nutzungsszenarien Lokale Nutzung Niedrige Temperaturen bis 30 C können nicht direkt in Heizungsanlagen genutzt werden. Sie müssen je nach Heizungsanlage auf ca. 60 erhöht werden. Dazu werden Wärmepumpen eingesetzt, die mit Hilfe von elektrischem Strom die Temperatur erhöhen, aber gleichzeitig auch ca. dreimal so viel Wärme bereitstellen. Wärmepumpen werden auch in Haushalten eingesetzt; die hohe Temperatur von C, mit der die Wärme bereits an die Wärmepumpe angeliefert wird, führt zu einem besseren Wirkungsgrad, d.h. die Wärmeausbeute je eingesetzter kwh Strom ist besser. Hemmnisse zur Nutzung dieser Form der Wärmerückgewinnung stellen die zusätzlich Anlageninvestition für die Wärmepumpe, die Wartungs- und Betriebskosten sowie die Integration in die Heizungsanlage dar. Diese ist in der Regel nur bei neueren Gebäuden möglich, da ältere Gebäude, die klassische Heizkörper einsetzen, erst ab einer Temperatur von ca. 80 C (abhängig vom Alter des Gebäudes und der Heizkörper) die Wärme nutzen können. Ein Hemmnis in neuen, öffentlichen Gebäuden stellt die Anforderung dar, dass Fußbodenheizungen nicht installiert werden sollen, weil dadurch eine freie Einteilung der Gebäudefläche in einzelne Räume behindert wird. Zudem werden Fußbodenheizungen als Komfort-Heizung angesehen, die zu einer als unnötig angesehenen Steigerung der Baukosten führt. Der Synergie-Effekt der Energieeffizienz einer solchen Flächenheizung wird dabei außer Acht gelassen. Kann die Wärme aus Rechenzentren mit einer Temperatur von ca. 50 C abgeführt werden, ist diese in neueren Gebäuden direkt zur Heizung verwendbar. In älteren Gebäuden kann die Wärme als Vorerwärmung genutzt werden, so dass die Gebäudeheizung nur eine letzte Temperaturerhöhung vornehmen muss. Version: 1.0 Seite: 7 von 14

8 3.2.2 Nutzung im direkten Umkreis Ein Beispiel für die Nutzung der Abwärme ist das s.g. Hot-Fluid-Computing-Konzept wo wassergekühlte Server mit der Heizung direkt verbunden sind mit Wassertemperaturen bis 60 C. Abbildung 3: Hot-Fluid-Konzept der Thomas Krenn AG Größere Liegenschaften können die Abwärme aus Rechenzentren nutzen, wenn ein zentrales Versorgungskonzept besteht, bei dem die Wärme in einem Heiz- oder Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugt wird oder wenn die Abwärme durch Wärmepumpen auf eine geeignete Temperatur angehoben wird. Oftmals beruht die Wirtschaftlichkeit eines Blockheizkraftwerks aber darauf, dass es so geführt wird, dass es einen hohen Anteil der benötigten elektrischen Energie erzeugt. Die Wärme eines Blockheizkraftwerks stellt also bereits ein Abfallprodukt dar, das zur Beheizung einer Liegenschaft oder eines Campus mehr als ausreicht. Würde ein BHKW nach dem Wärmebedarf geregelt, so würde es den gesamten Sommer über stillstehen und wäre damit extrem unwirtschaftlich. Die Wärme eines Rechenzentrums auf einem Campus mit BHKW wird daher als nicht nutzbares, zusätzliches Abfallprodukt angesehen, das auf die Abfallwärme des BHKW oben drauf kommt. Konzepte für Nahwärmenetze, die auf der Nutzung von Abwärme aus Rechenzentren beruhen und lediglich eine Nachheizung vorsehen, wenn die Temperatur der Wärme des Rechenzentrums nicht ausreicht, sind nur wenige bekannt. So nutzt z.b. Aquinet ( in Hamburg die Abwärme für eine benachbarte Turnhalle. Ein weiteres Hemmnis für die Nutzung im direkten Umkreis stellt die Tatsache dar, dass die Wärme nicht weit transportiert werden kann, da bei jedem Transport die Temperatur weiter absinkt und die Wärme damit für den Empfänger an Wert verliert. Version: 1.0 Seite: 8 von 14

9 Gehören Erzeuger der Wärme, als der Betreiber des Rechenzentrums, und Abnehmer der Wärme nicht zum gleichen Unternehmen, ergeben sich schnell viele Fragen, deren Antworten zu komplexen Projekten führen würden: - Wer stellt die Infrastruktur für den Transport der Wärme bereit? Der Erzeuger, der Abnehmer, oder ein Dritter, wie z.b. ein Versorgungsunternehmen? - Wer betreibt diese Infrastruktur (Monitoring, Entstörung, Abrechnung der gelieferten Wärme)? - Welche Verpflichtung geht der Erzeuger ein, wenn das Rechenzentrum aufgrund einer Störung keine Wärme liefern kann? Die obigen Fragen führen dazu, dass ein Abnehmer zur Absicherung und ggf. zur Temperaturerhöhung eine zusätzliche Gebäudeheizung installieren und betreiben muss. Die Abwärme aus dem Rechenzentrum kann er daher nur mit einer geringen Vergütung abnehmen, so dass selbst wenn das Rechenzentrum seine Wärme kostenfrei abgibt, die Wirtschaftlichkeit eines Verbundes aus Erzeugung, Verteilung und Abnahme schwer zu erreichen ist. Aktuell fehlen zu diesem Szenario aber die notwendigen Daten und Berechnungen zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit Nutzung im weiteren Umkreis Abbildung 4: Einspeisung von Wärme aus Rechenzentren in Wärmenetze (Quelle: Fortum) Version: 1.0 Seite: 9 von 14

10 Stattdessen kann die Wärme in ein Heizkraftwerk eingespeist werden, dass dann die Temperatur auf das notwendige Maß anhebt. Das Rechenzentren direkt neben ein Heizkraftwerk gebaut werden ist allerdings selten der Fall. In anderen Fällen werden spezielle Wärmepumpen eingesetzt um die Temperatur anzuheben, wie z.b. in Stockholm, wo zwei in Reihe geschalteten Wärmepumpen eingesetzt werden. Version: 1.0 Seite: 10 von 14

11 4 Regulatorische Aspekte Aus der Planungspraxis sind uns weitere Hemmnisse bekannt, die eine Wärmerückgewinnung behindern. 4.1 Bestehende Fernwärme Steht für eine Liegenschaft eine Versorgung mit Fernwärme zur Verfügung, so ist diese mit extrem günstigen Kosten verbunden, so dass jede Investition in die Nutzung der Wärme aus einem Rechenzentrum sofort unwirtschaftlich wird. Zudem geht Fernwärme als CO2 freie Energie in Ökobilanzen ein, so dass ein weiterer Energieeinsatz für eine Wärmepumpe die Bilanz verschlechtert. Oftmals werden Fernwärmenetze aber aus konventionellen Kraftwerken zur Stromerzeugung gespeist. Mit der Energiewende und der Dekarbonisierung wird der Anteil der Stromerzeugung der konventionellen Kraftwerke aber abnehmen, und damit auch die zur Verfügung stehende Fernwärme. Für neu geplante Rechenzentren sollte daher geprüft werden, ob deren Abwärmenutzung nicht Vorrang haben sollte vor der Nutzung bestehender Kraftwerks-Fernwärme. 4.2 Förderung von BHKW Obwohl die Technologie der Kraft-Wärme-Kopplung grundsätzlich von Vorteil aus Sicht der Energieeffizienz ist, stellt deren Förderung wie oben bereits in Abschnitt ein Hemmnis für die Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnung von Rechenzentren dar. Für Rechenzentren, deren Abwärme mit einer Temperatur von über 50 C bereitgestellt wird, sollte untersucht werden, ob deren Nutzung nicht größere Synergieeffekte erzeugt als die Nutzung eines BHKW. Dazu liegen bisher keine ausreichenden Daten aus dem Betrieb von Rechenzentren vor. 4.3 Förderung von Flächenheizungen Zur Nutzung von Abwärme auf niedrigerem Temperaturniveau von ca. 50 C müssen in Gebäuden Flächenheizungen wie z.b. Fußbodenheizungen verbaut werden. Die zur Beheizung erforderliche Leistung wird bei einer Flächenheizung durch eine größere Fläche übertragen als bei klassischen Heizkörpern. Dies ermöglicht die Nutzung der niedrigeren Temperaturen. Flächenheizungen sind in Bestandsgebäuden nur schwierig nachzurüsten. Für eine verbesserte Energieeffizienz in Gebäuden sollte daher bei Neubauten gefordert werden, dass vorrangig Flächenheizungen einzuplanen sind. Dies führt zunächst zu höheren Investitionskosten, die aber durch niedrigere Betriebskosten mehr als ausgeglichen werden. Regulatorische Hemmnisse zur Verwendung von Flächenheizungen in öffentlichen Gebäuden sollten abgebaut und in eine Empfehlung zu deren Nutzung umgewandelt werden. 4.4 Innovative Fernwärmekonzepte Bisher nicht als System betrachtete Anlagen wie Rechenzentren und Heizkraftwerke müssen zur Erzielung der Synergie als Einheit betrachtet werden. Dazu muss es den Planern und Betreibern dieser Anlagen ermöglicht werden, ihre Standorte so zueinander zu bringen, dass die Abwärme der Rechenzentren auf dem Transport zum Heizkraftwerk nicht verloren geht. Version: 1.0 Seite: 11 von 14

12 Es muss untersucht werden, welche Leistung die Heizkraftwerke haben müssen, um die Abwärme aus einem oder mehreren Rechenzentren für die Fernwärmeversorgung nutzbar machen zu können und wie solche Heizkraftwerke in ein städtebauliches Konzept passen. Es bietet sich an die Installationen und auch das Abrechnungskonzept zwischen Fernwärmenetzbetreiber und Rechenzentrumsbetreiber.in Stockholm zu untersuchen. Abbildung 5 zeigt für Stockholm die Erträge aus der Abwärme im Verhältnis zu Außentemperatur. Zu beachten ist, dass die Energie in Schweden allgemein günstiger ist. Abbildung 5: Preisbildung für RZ-Abwärme in Abhängigkeit von der Außentemperatur in Stockholm (Quelle: Bahnhof AB Datacenter) Version: 1.0 Seite: 12 von 14

13 5 Fazit Es steht ein hohes Potenzial an Wärmemenge in der Abwärme von Rechenzentren zur Verfügung. Seine Nutzbarmachung erfordert die Untersuchung von verschiedenen Szenarien, um zu effizienten und wirtschaftlichen Lösungen zu gelangen. Gleichzeitig muss das Thema aus politischer Sicht vorangetrieben werden, um die Akteure der Rechenzentrums-Branche für das Thema zu mobilisieren und dafür zu sorgen, dass die Fernwärmenetzbetreiber ihre Netze öffnen und für die RZ-Abwärme bezahlen. Version: 1.0 Seite: 13 von 14

14 6 Glossar Item Description BHKW BSI Blockheizkraftwerk Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik Version: 1.0 Seite: 14 von 14