Daten sammeln, zum Mitmachen auffordern und Erfolge demonstrieren – das EU-Projekt „Reuseheat“

Nutzung von Datacenter-Abwärme ist keine Gewissensfrage, sondern Notwendigkeit

| Autor: Ulrike Ostler

Zum Projekt Reuseheat gehören vier unterschiedliche Anwendungsfälle in vier Städen. Die erwarteten Einsparungen durch die Nutzung von Abwärme, etwa von einem Rechenzentrum, belaufen sich auf 5,5 Gigawattstunden pro Jahr beziehungsweise 1.135 Tonnen CO2 pro Jahr.
Zum Projekt Reuseheat gehören vier unterschiedliche Anwendungsfälle in vier Städen. Die erwarteten Einsparungen durch die Nutzung von Abwärme, etwa von einem Rechenzentrum, belaufen sich auf 5,5 Gigawattstunden pro Jahr beziehungsweise 1.135 Tonnen CO2 pro Jahr. (Bild: Reuseheat)

Ist es nicht eine Schande? „Die Wärmemenge, die EU-weit von Energieanlagen und -industrien verschwendet wird, entspricht jener, die derzeit zum Heizen aller Gebäude in Europa gebraucht wird.“ Dass nur wenige Rechenzentren Abwärme in Heizungssysteme oder gar Fernwärmenetze einspeisen, ist bekannt. Jetzt ist der Beitrag, den Datacenter zur Nah- und Fernwärme leisten könnten, Teil des EU-Projekts „Reuseheat“.

In Europa betrug der Gesamtenergieverbrauch von Rechenzentren im Jahr 2007 noch 56 Terawattstunden pro Jahr (TWh/Jahr). Doch bis 2020 wird der Bedarf voraussichtlich auf 104 TWh/Jahr ansteigen. Streaming, das Internet of Things und ganz allgemein die Digitalisierung erfordern schlichtweg mehr IT und damit mehr Rechen- und Rechenzentrumskapazität, mehr verschwendete Hitze und – da Wärme Energie bedeutet – Energieverschwendung im gigantischen Ausmaß. Effizienzgewinne im Datacenter durch bessere Kühlanlagen, Eco-Modi in USV-Anlagen und Prozessoren können den Anstieg nicht wesentlich bremsen.

Würden Rechenzentren ihren Überschuss an Wärme nicht in die Umwelt blasen, sondern Wärmenetzen in er Nähe und Ferne zur Verfügung stellen, entspräche diese Energie etwa 48 Terawattstunden pro Jahr.
Würden Rechenzentren ihren Überschuss an Wärme nicht in die Umwelt blasen, sondern Wärmenetzen in er Nähe und Ferne zur Verfügung stellen, entspräche diese Energie etwa 48 Terawattstunden pro Jahr. (Bild: Reuseheat)

Neben einer kleinen Anzahl extrem großer Rechenzentren mit IT-Lasten von 5 Megawatt (MW) gibt es auch Hunderttausende mittelgroßer Unternehmensrechenzentren mit IT-Lasten zwischen 500 Kilowatt (kW) und 5 MW sowie noch mehr kleine Rechenzentren mit IT-Lasten unter 500 kW in ganz Europa. So gibt beispielsweise ein mittelgroßes Rechenzentrum mit 1 MW IT-Auslastung 3.700 MWh Wärmeenergie pro Jahr in die Atmosphäre ab, was rund 0,46 MWhth Abwärme und MWh Strom, der vom Rechenzentrum verbraucht wird, entspricht. Dies würde zu 48 TWh/Jahr potenzieller Abwärme führen, die in Zukunft von Rechenzentren genutzt werden könnte.

Das Projekt Reuseheat

Das Projekt „Reuseheat“, das von der Europäischen Union im Rahmen des Programms „Horizon 2020“ gefördert wird, widmet sich der Nutzung von Abwärme aus Rechenzentren und anderen stadtnahen Energiequellen wie unterirdischen Netzen, Gewässern, Kanalnetzen, kühlenden Produktionsprozessen, Verbrennungsanlagen und eben Datacentern, um zu untersuchen und zu demonstrieren, wie sich diese in Fern- und Nahwärme nutzen lässt. Die Ziele des Reuseheat-Projekts beziehen sich somit auf die Dekarbonisierung des europäischen Heiz- und Kühlsektors, der derzeit 50 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in Europa ausmacht, und insbesondere auf die städtische Dimension des Heizens und Kühlens, da 84 Prozent der europäischen Bürger bis 2050 voraussichtlich in städtischen Gebieten leben werden.

Das Projektteam

16 Partner aus ganz Europa bilden das Reuseheat-Team. Die Koordination hat die schwedische Non-Profit-Forschungseinrichtung IVL übernommen. Zu den Partnern gehört Euroheat & Power, ein internationales Netzwerk für Fernwärme und Kühlen in Europa. Die zugehörige „DHC+-Technologieplattform“ ist die europäische Drehscheibe für Forschung und Innovation im Bereich Fernwärme und -kühlung. Im Projekt Reuseheat leitet DHC+ die Kommunikations- und Verbreitungsaktivitäten.

Ergänzendes zum Thema
 
Weitere Mitglieder im Projektteam

Zum Team zählt auch die London School of Economics and Political Science, eine der weltweit führenden sozialwissenschaftlichen Universitäten, die das Centre for the Analysis of Time Series (CATS) betreibt. Im Projekt hat CATS die Aufgabe, die langfristige Nachfrage, die rechtlichen Rahmenbedingungen, das Engagement der Nutzer und das Risikomanagement zu analysieren.

Das Technologiezentrum Cartif entwickelt F&E-Projekte und unterstützt Innovationen in fünf Wissensbereichen: Industrie, Energie und Umwelt, Bau und Infrastrukturen, Agrarnahrung sowie Gesundheit und Lebensqualität. Im Rahmen des Projekts ist das Zentrum für die „WP1“-Datenbank zur Unterstützung der Ressourcenidentifikation verantwortlich und leitet „WP4“ für die Überwachung und Bewertung von vier Demofällen.

Die Beispielfälle

Für diese hat sich das Projekt vier Städte und Branchen ausgesucht; sie sollen sich in puncto Größe, Klimabedingungen und Energiemärkte unterscheiden: Bukarest, Madrid, Nizza und Braunschweig.

Der Demofall ist in Bukarest das Metronetz. Das Bukarester U-Bahnnetz besteht derzeit aus 71,35 Kilometer Doppelgleisen, vier U-Bahnlinien und 53 Bahnhöfen. Der Betreiber Metroul strebt die Entwicklung eines Wärmenetzes an, das sich aus der Abwärme der Lüftungsanlage des U-Bahnnetzes speist. Die Wärme soll entweder im Fernwärmenetz von Bukarest oder in einem separaten Wärmeversorgungsnetz genutzt werden.

Das Bukarester U-Bahn-Netz soll Abwärme für das Fernwärmenetz liefern.
Das Bukarester U-Bahn-Netz soll Abwärme für das Fernwärmenetz liefern. (Bild: Reuseheat)

Die Elektromotoren der Züge erzeugen bei Beschleunigung, bei konstanter Geschwindigkeit und bei Verzögerung Wärme. Dazu kommen die Wärme durch das Abbremsen und der Wärmeüberschuss durch die Lüftungsanlage des Zuges. Dazu kommen im Sommer die ohnehin erhöhten Temperaturen, schlecht belüftete und tiefe Röhren, die Abwärme der Bahnhofsausstattung sowie der Fahrgäste. Ein Teil der Wärme wird von den Tunnelwänden aufgenommen, der Rest bleibt in der Tunnelumgebung.

So liefert ein unterirdischer Lüftungsschacht einer Station eine Lufttemperatur von 15 bis 27 Grad. Wasser-Wasser-Wärmepumpen erfassen diese überschüssige Wärme und bringen sie dann auf das für die Fernwärme erforderliche Niveau von 75 bis 90 Grad. Die Wärme kann dann direkt in das Fernwärmenetz eingespeist werden. Da die Temperatur in der Nacht sinkt, wird ein Speichersystem implementiert, um die Leistung während der Übergangsphase am Morgen zu maximieren.

Im Madrid versorgt das Hospital Universitario La Paz mit Wärme.
Im Madrid versorgt das Hospital Universitario La Paz mit Wärme. (Bild: Reuseheat)

In Madrid spielt ein Krankenhausgebäude die Hauptrolle – generell ein verbreitetes städtisches Tertiärgebäude mit lokaler Fernwärme- und Kälteinfrastruktur mit großem Replikationspotenzial. Doch in Südeuropa haben Krankenhäuser einen besonders hohen Kühlbedarf während des ganzen Jahres. Zugleich haben sie einen hohen Wärmeenergiebedarf, zum Beispiel für die Prozesswärme, etwa zur Sterilisation und Reinigung. Das Hospital Universitario La Paz, das größte Krankenhaus vor Ort, ist an ein Nahwärmenetz angeschlossen und versorgt alle Gebäude mit Wärme und Kälte.

In Nizza besteht seit 2011 das Projekt „Grand Arenas“. Das Geschäftsviertel in der Nähe des Flughafens von Nizza Côte d’Azur wird sich auf 49 Hektar verfünffachen und um zwei wichtige Knotenpunkte drehen: ein Kongresszentrum und einen multifunktionalen Tagungsraum. Darüber hinaus gibt es Unternehmen, Geschäfte, Hotels und diverse Wohngebäude, einschließlich Sozialwohnungen.

In Nizza wird Aufklärung für Bürger und Verbraucher großgeschrieben. Das Monitoring-System liefert Echtzeitdaten zur Erfassung aller Leistungsflüsse und CO2-Emissionen. Somit weiß die Öffentlichkeit etwa über die Energiebilanz des Landkreises und den erneuerbaren Energien Bescheid.
In Nizza wird Aufklärung für Bürger und Verbraucher großgeschrieben. Das Monitoring-System liefert Echtzeitdaten zur Erfassung aller Leistungsflüsse und CO2-Emissionen. Somit weiß die Öffentlichkeit etwa über die Energiebilanz des Landkreises und den erneuerbaren Energien Bescheid. (Bild: Reuseheat)

Teil des Konzeptes sind Nachhaltigkeitsprojekte. Dazu gehört ein Niedertemperaturfernwärmenetz, das sich aus der Abwärme des Kanalnetzes speisen soll. In Phase 1, seit Ende 2018 abgeschlossen, wird ein Block von 20.000 Quadratmetern Büro- und Hotelfläche durch einen Nord-Süd-Kanalsammler mit Strom versorgt.

Möglich wird das, weil Abwasser, das Wohnungen und Büros verlässt, insbesondere heißes Abwasser, zur kohlenstoffarmen Energiequelle wird. Das Fernwärmenetz enthält ein mit Wärmepumpen ausgestattetes Umspannwerk. Da die Gebäude unterschiedlich genutzt werden, gewährleistet eine Wärmepumpe das Gleichgewicht zwischen Wärme- und Kälteversorgung und Rückführung von einem Gebäude zum anderen.

Darüber hinaus ist ein zusätzlicher Kühlspeicher erforderlich, um eine Balance zwischen Heizen und Kühlen im System zu erreichen. Photovoltaisch thermische Hybridsonnenkollektoren, die sowohl thermische als auch elektrische Energie erzeugen, sind ebenfalls Teil des Konzepts.

Rechenzentrumsabwärme in Braunschweig

In Braunschweig betreibt der lokale Energieversorger für Strom, Wärme, Gas und Wasser, die Veolia-Tochter BS|Energy, ein Fernwärmenetz, das 45 Prozent der Stadt mithilfe von Blockheizkraftwerken versorgt. Dieses, genauer gesagt ein Niedertemperaturfernwärmenetz der vierten Generation, soll auch ein neues Wohngebiet mit insgesamt 400 Wohneinheiten versorgen.

Direkt neben diesem Wohngebiet steht ein Rechenzentrum: hoher Kühlbedarf, Erzeugung überschüssige Wärme. Tatsächlich können damit der Spitzenwärmebedarf und die Grundlast vollständig durch das Abwärmepotenzial des Rechenzentrums abgedeckt werden. Darüber hinaus sorgt ein Anschluss an das bestehende Hochtemperaturfernwärmenetz von BS|Energy für Flexibilität im System und das Abdecken von Spitzenlasten.

In Braunschweig befindet sich die Demo-Installation eines Rechenzentrums, das mit seiner Abwärme eine Stadtteilheizung füttert.
In Braunschweig befindet sich die Demo-Installation eines Rechenzentrums, das mit seiner Abwärme eine Stadtteilheizung füttert. (Bild: Reuseheat)

Aufgrund der niedrigen Temperatur der Wärmequelle wird eine Wärmepumpe zur Erhöhung der Vorlauftemperatur eingesetzt. Gleichzeitig ist es für einen hohen Wirkungsgrad erwünscht, das Temperaturniveau der Versorgung so niedrig wie möglich zu halten. Eine Steuerung, welche die Echtzeitdaten der Unterwerke berücksichtigt, steuert die Wärmepumpe (DataCenter-Insider berichtete: Würdig für den Deutschen Rechenzentrumspreis? RZ-Abwärme versorgt 400 Wohnungen.

RZ-Abwärme versorgt 400 Wohnungen

Würdig für den Deutschen Rechenzentrumspreis?

RZ-Abwärme versorgt 400 Wohnungen

05.04.19 - Betreiber von Rechenzentren (RZ) suchen beim Neu- und Umbau von Serverräumen beständig nach Einsparungen, Stichwort Energieeffizienz. Dabei gerät die Nutzung der Abwärme immer mehr ins Visier. Nun ist im Süden von Braunschweig ein neues RZ entstanden, das Modellcharakter haben könnte. lesen

Alle Unterwerke sind mit Sensoren ausgestattet, die Daten erfassen und in ein zentrales Leitsystem einspeisen. So ist es möglich, mit maximalem Wirkungsgrad zu arbeiten und auch niedrige Rücklauftemperaturen zu ermöglichen, während dem Kunden Echtzeitrückmeldungen zur Verfügung gestellt werden können.

Die heutigen Fernwärmenetze

Bei den Niedertemperaturnetzen handelt es sich um Netze der sogenannten vierten Generation – 4GDH –, die vermutlich zwischen den Jahren 2020 und 2050 verwendet werden; die Wassertemperatur liegt hier bei 30 bis 70 Grad. In der Regel werden damit Fußbodenheizungen oder Niedertemperaturheizkörper (50 Grad) versorgt.

Diese Generation zeichnet sich zudem durch Montage-orientierte Komponenten und flexiblere Rohrmaterialien aus und wird manchmal auch als „Low Temperature District Heating Networks“ (LTDH) bezeichnet.

In dem Nizza-Beispiel liegt die Temperatur noch niedriger, in einem Bereich zwischen 10 und 30 Grad, wobei die Wärmeenergie lokal mit Wärmepumpen genutzt wird. Diese Netze können als „Heat Sharing Networks“ bezeichnet werden, da die lokalen Wärmepumpen sowohl Wärme einblasen als auch entnehmen.

Barrieren und Hindernisse, die nicht technischer Natur sind

Das Projekt Reuseheat kümmert sich auch um Probleme und Einwände, die nicht technischer Natur sind: in finanzieller, organisatorischer und gesetzlicher Hinsicht. Die folgenden Tabellen liefern ein paar Stichworte

Finanzhindernisse Lösungsansatz
Eingeschränkter Zugang zu Finanzmitteln und Investitionen Partnerschaften zwischen öffentlichen und privaten Trägern wie bei ESCO
Lange Amortisationszeit
Steuerliche Anreize und Vorteile wie Steuererleichterungen, Förderprogramme, zinsgünstige Kredite, Garantiefonds etc.
Hohe Investitionskosten
Angepasste, dedizierte Geschäftsmodelle und Finanzmodelle
Fehlende steuerliche Anreize
Bezirksrenovierung statt Einzelsanierung, um Kosten zu senken, Synergien zu schaffen und die Finanzierung zu optimieren
Mangelndes Wissen der Finanzinstitute über neue und aufkommende Geschäftsmodelle zur Energieumrüstung Bildung von Einkaufsgruppen, damit Privatpersonen Rabatte auf Anlagen und Dienstleistungen erhalten können
Eigentümerstruktur
Getrennte Anreize, was zu mangelnder Motivation der Eigentümer führt
Passgenaue Renovierungspläne und Umsetzung
Fehlende Garantien für Eigentümer von Mehrfamilienhäusern Soziale Nachhaltigkeit und Verantwortung über das übergeordnete Ziel stellen und nicht die kurzfristige Rentabilität
Fehlende Verwaltung des investierten Geldes bei individualisiertem Eigentum
Langfristiges Eigentum

Die organisatorischen Hindernisse

Organisatorische Hindernisse
Lösungsansatz
Fähigkeit und Durchführung von Nachrüstarbeiten Kommunikation, Einrichtung spezieller Arbeitsgruppen/Kompetenzgruppen für Kommunikation
Schwer zu findende Bauunternehmer und Handwerker
Lange Dauer der Bauarbeiten
Begrenzte Ressourcen innerhalb von Unternehmen (insbesondere KMU) für anspruchsvolle Retrofits
Mangelndes Wissen über neue Technologien in spezialisierten Unternehmen
Abhängigkeit von Beratern, die zu suboptimierten Systemen führt
Mangelndes Wissenund mangelnde Kompetenz bei einigen Kommunen/Wohnungsunternehmen, was sich auf die Beschaffungsfähigkeit auswirkt
Kooperationen
Mangelnde Koordination zwischen den Gemeindeverwaltungen
Interessenkonflikt zwischen Mietern/Kommunen – soziales Anliegen vs. Geschäftsmentalität
Eigentümerstruktur
Verschiedene Arten von Gebäuden, Eigentum, Demografie etc. innerhalb des Bezirks

Die rechtlichen Schwierigkeiten

Rechtliche Schwierigkeiten
Lösungsansatz
Fehlende Rechtskenntnisse Unterstützung in Genehmigungsverfahren (Navigation durch die Bürokratie)
Hohes Maß an Bürokratie
Reduktion des Bürokratieaufwands
Unsicherheit über den Regulierungsrahmen und steuerliche Anreize
Normative Vorschriften werden nicht eingehalten
Starre Interpretationen von Vorschriften
Hohe Komplexität der rechtlichen Rahmenbedingungen im Bereich Energie/Infrastruktur
Unterschiedliche Gesetzgebung in den verschiedenen europäischen Ländern
Steuern

Mitmachen beim Erstellen von Informationen

Das Projekt Reuseheat fordert relevante Akteure und Interessengruppen, also Rechenzentrumsbetreiber, beispielsweise zur Teilnahme an einer Umfrage auf. Diese soll ein sehr wirkungsvolles Instrument zur Ermittlung des Potenzials städtischer Überschusswärmequellen sein.

Wie energieeffizient sind die Rechenzentren in Deutschland?

Umfrage bei Rechenzentrumsbetreibern

Wie energieeffizient sind die Rechenzentren in Deutschland?

27.03.19 - Viele deutsche Rechenzentrumsbetreiber investieren in die Verbesserung der Energieeffizienz ihrer Rechenzentren. Im internationalen Vergleich sind die deutschen Rechenzentren weltspitze, wenn es um Energieeffizienz geht. Das liegt sicher auch an den hohen Energiepreisen in Deutschland. Eine aktuelle Umfrage erhebt neue Daten zu diesem Thema. lesen

Die erhobenen Daten werden Teil einer offenen und öffentlichen Datenbank und sollen schließlich dazu beitragen, einen Schritt vorwärts zu gehen auf dem Weg zu einem nachhaltigeren und dekarbonisierten Energiemodell in Europa. Teilnehmer erhalten bei Bedarf eine kostenlose Prämachbarkeitsstudie. Die erste Runde findet vom 15. April bis 15. Juli 2019 statt.

Weiterführende Informationen

Link zur Reuseheat-Umfrage

Cesius Wiki

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