Abwärmenutzung Rechenzentren: Regulatorische Anforderungen, häufigste Anwendungsfälle und optimale Planung

Warum wird das Thema nachhaltige Energiekonzepte und Abwärmenutzung von Rechenzentren immer relevanter?

Rechenzentren sind das Rückgrat der Digitalisierung, gleichzeitig sind sie jedoch auch große Energieverbraucher. Ein zukunftsweisender Ansatz könnte die Abwärmenutzung von Rechenzentren sein, um ihre Effizienz zu steigern. Sie haben eine stark wachsende Bedeutung für den Gesamtenergieverbrauch in Europa. Beispielsweise verbrauchen Rechenzentren in Deutschland im Jahr 2024 etwa 20 Milliarden Kilowattstunden (kWh) Strom. Das entspricht einem Anteil von annähernd 3,7 % am gesamten Stromverbrauch Deutschlands. Laut aktuellen Prognosen wird der Strombedarf der Rechenzentren in Deutschland bis 2030 je nach Szenario auf 25 bis 37 Milliarden kWh ansteigen, wobei ca. 31 Milliarden kWh als realistischer mittlerer Wert gelten. Das Borderstep-Institut prognostiziert, dass der prozentuale Anteil der Rechenzentren am Gesamtstromverbrauch damit auf 6–7 % steigen könnte, sofern der Gesamtstromverbrauch Deutschlands nicht nochmals wesentlich zunimmt. Rechenzentren stellen somit einen wachsenden Anteil am deutschen Gesamtenergieverbrauch dar.

Haupttreiber für dieses Wachstum sind der zunehmende Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) und Cloud-Computing sowie die steigende digitale Vernetzung von Wirtschaft und Gesellschaft. Experten erwarten, dass der Anteil von KI- und High-Performance-Computing-Systemen weiter zunimmt.

Diese Trends sind grenzüberschreitend und führen zu massiven Investitionen, neuen Großprojekten sowie steigenden Anforderungen an Energie, Flächen, Kühlung und Regulierung.

So plant die EU beispielsweise, die Kapazität der Rechenzentren bis 2030 mithilfe eines Cloud- und KI-Entwicklungsgesetzes mindestens zu verdreifachen. Dazu gehören die Vereinfachung von Genehmigungsverfahren, der Fokus auf nachhaltige Bau- und Energiekonzepte sowie die Förderung europäischer Cloud-Anbieter.

Aufgrund des steigenden Stromverbrauchs von Rechenzentren und der zunehmenden regulatorischen Anforderungen gewinnt das Thema Abwärmenutzung von Rechenzentren in Europa an Bedeutung. Im Folgenden wird beschrieben, wie sich die Abwärme von Rechenzentren nutzen und optimal planen lässt.

Abwärmenutzung Rechenzentren: Aktuelle und künftige regulatorische Anforderungen

Jüngste gesetzliche Rahmenbedingungen und technische Normen machen die Rückgewinnung von Serverabwärme zum Pflichtbestandteil moderner Energiekonzepte.

Deutschland: Energieeffizienzgesetz und Pflicht zur Abwärmenutzung

Mit dem neuen Energieeffizienzgesetz (EnEfG) wurde die Abwärmenutzung für Rechenzentren in Deutschland klar geregelt. Für neue Rechenzentren, die ab dem 1. Juli 2026 in Betrieb gehen, gilt die Pflicht, den Nachweis zu erbringen und mindestens 10 % der entstehenden Abwärme tatsächlich zu nutzen. Dieser Anteil steigt ab 2027 auf 15 %, ab 2028 auf mindestens 20 % (technische und wirtschaftliche Zumutbarkeit vorausgesetzt).

Auch für bestehende Rechenzentren gibt es Grenzwerte und Reportingpflichten.

Betreiber müssen jährlich Daten zum Abwärmepotenzial an die zentrale Plattform des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA/BfEE) melden.

Ab Juli 2025 muss zudem verpflichtend ein Energie- und/oder Umweltmanagementsystem (EnMS/UMS, z. B. ISO 50001, 14001, EMAS) mit Fokus auf Abwärmebilanzierung und Energieeffizienzmaßnahmen betrieben werden.

Zusätzlich gilt:

Neue Rechenzentren müssen binnen zwei Jahren einen PUE-Wert (Power Usage Effectiveness, Energieeffizienz-Zahl) von maximal 1,2 erreichen, Bestandsanlagen stufenweise maximal 1,5 (ab 2027) bzw. maximal 1,3 (ab 2030).  Der PUE-Wert beschreibt das Verhältnis der insgesamt aufgenommenen Energie eines Rechenzentrums zur tatsächlich für die IT-Geräte genutzten Energie. Ein idealer PUE liegt bei 1,0, was bedeutet, dass keine zusätzliche Energie für Kühlung, Stromversorgung oder Infrastruktur benötigt wird.

Ab 2027 müssen Rechenzentren ihren gesamten Strombedarf vollständig aus erneuerbarer Energie decken.

Die Abwärme muss vorrangig auf dem Grundstück selbst und ansonsten über lokale Wärmenetze oder für benachbarte Gebäude genutzt werden. Voraussetzung ist jeweils die technische und wirtschaftliche Machbarkeit.

Relevante Normen und Richtlinien für Planung, Bau und Betrieb:

• EnEfG und die zugehörigen Ausführungsbestimmungen (§ 16 ff. für die Nutzung von Abwärme).
• ISO 50001,ISO 14001, EMAS (Pflicht für ein Energie-/Umweltmanagementsystem).
• DIN EN 50600 (RZ-Standards für Energieeffizienz und Klimatisierung).
•  F-Gase-Verordnung (EU/2024/573): verschärft die Kältemittelregulierung und treibt die Entwicklung neuer Kühlsysteme (z. B. Flüssigkühlung) voran.
• Landesbauordnung und spezifische Ländervorschriften für Fern-/Nahwärme.

Schweiz: Kantonale Pflicht zur Abwärmenutzung

Auch in der Schweiz wird die Nutzung von Abwärme aus Rechenzentren zunehmend in kantonalen Bau- und Energievorschriften verankert:

• Gemäß § 13a EnerG (und Art. 6 Abs. 3 in Zürich sowie § 30a BBV I) sind Rechenzentren mit mehr als 2 GWh Abwärme dazu verpflichtet, ihre überschüssige Wärme zu Gestehungskosten an Dritte abzugeben, sofern sie diese nicht im eigenen Betrieb nutzen können.
• Die zuständigen Behörden müssen Anlagen mit einem Energiebedarf von mehr als 5.000 MWh in regionale Richtpläne aufnehmen.
• Im Baubewilligungsverfahren muss nachgewiesen werden, dass die Abwärmeausleitung am Gebäudestandort realisierbar ist (z. B. Wärmeübergabepunkt).

Österreich

In Österreich dienen innovative Projekte, bei denen große öffentliche Gebäude und Kliniken mit Serverabwärme beheizt werden, in Wien und Umgebung als Vorbild. In Wien gibt es lokale Verpflichtungen und Förderungen, die die Nutzung von Serverabwärme (ab ~500 kW) zum Heizen von Nahwärmenetzen begünstigen.

Skandinavien und EU

Nordeuropäische Länder gehen zum Teil noch weiter:

• Finnland, Schweden, Dänemark und Norwegen zum Beispiel: Hier ist die Einspeisung der Abwärme von Rechenzentren in das Fernwärmenetz bereits Standard. Dies wird durch kommunale Vorgaben und Förderungen, oft ab 1 MW IT-Last, ermöglicht.
• EU-weit verlangt die revidierte Energieeffizienzrichtlinie (EED) die Nutzung von industrieller Abwärme und fordert von den Mitgliedstaaten einen Abwärmeaktionsplan (bis 2030). Es bestehen technische Vorgaben für die Einbindung von Abwärme aus Rechenzentren in energetische Sanierungsstrategien und Nahwärmeplanung (Richtlinie 2023/1791/EU).

UK und USA

Im Vereinigten Königreich gibt es noch keine verbindlichen gesetzlichen Vorgaben zur Nutzung von Serverabwärme, jedoch werden in London und Manchester mehrere Pilotprojekte durchgeführt, bei denen Abwärme beispielsweise in städtische Wärmenetze eingebunden wird. Auf freiwilliger Basis werden Maßnahmen im Rahmen des BREEAM-Zertifizierungssystems und nach ISO 50001 umgesetzt. Strengere Vorgaben sind im Rahmen der EU-Alignment- und Net-Zero-Ziele in Diskussion.

In den USA existieren bislang keine flächendeckenden Verpflichtungen. Treiber sind hier staatliche Förderprogramme, das Department of Energy (DOE) und die Einbindung in lokale Net-Zero-Strategien.

Stromverbrauch eines Rechenzentrums: Übersicht und Anteil nutzbare Abwärme

Die folgende Grafik veranschaulicht die typische Verteilung des Stromverbrauchs in Rechenzentren.

Mit 69 % entfällt der größte Anteil des Stromverbrauchs auf das IT-Equipment, gefolgt von 16 % für die Kühlung, 8 % für die Stromversorgung, 4 % für die Lüftung und 3 % für Beleuchtung und sonstige Verbraucher. Bemerkenswert ist, dass 81 % des gesamten Stromverbrauchs als nutzbare Abwärme anfallen – ein enormes Potenzial für die effiziente Nutzung von Abwärme. Nur 19 % der erzeugten Wärme gelten als nicht nutzbar.

Wie lassen sich die Energieeffizienz eines Rechenzentrums steigern und dessen Betriebskosten senken?

Aus dem Stromverbrauch und den regulatorischen Anforderungen ergeben sich die Hauptansatzpunkte. Die wichtigsten Hebel für Ingenieure und TGA-Planer sind:

• Kühlen mit maximaler Effizienz,
• Server- und IT-Infrastruktur optimieren,
• Nutzung erneuerbarer Energien,
• Steigerung der Abwärmenutzung,
• Energiemanagement und Monitoring,
• Weitere technische Maßnahmen sind die Modernisierung von USV- und Netzersatzanlagen, die intelligente Steuerung von Kühlanlagen, die Integration von PV-Anlagen sowie die Gebäudeleittechnik zur Lastenoptimierung und Eigenstromerzeugung.

Wie kann die Abwärme eines Rechenzentrums genutzt werden?

Rechenzentren erzeugen durch ihre Server und IT-Infrastruktur rund um die Uhr große Mengen Wärme. Anstatt die Abwärme ungenutzt in die Umgebung abzugeben, nutzt man sie für Heiz- und Warmwasserzwecke. So versorgen die Rechenzentren beispielsweise Wohn- und Gewerbegebäude mit Wärme. Moderne integrierte Energiesysteme ermöglichen die direkte oder indirekte Einspeisung der Abwärme in Wärmenetze oder das lokale Heizen mit Serverabwärme.

Wie funktioniert das technische System zur Nutzung der Abwärme der Server?

Die Abwärme der Server koppelt das System zunächst über Wärmetauscher aus dem internen Kühlkreislauf des Rechenzentrums aus. Ein intelligentes Steuerungssystem entscheidet anschließend, wie mit dieser Wärme verfahren wird, und erfasst dazu kontinuierlich verschiedene Parameter, unter anderem:

• Temperatur im Rechenzentrum (aktueller Kühlbedarf der Server)
• Temperaturniveau der ausgekoppelten Wärme.
• Vorlauftemperatur im Fern- oder Nahwärmenetz.
• Außerdem werden die Außentemperatur und Prognosen zum Wärmebedarf der angeschlossenen Verbraucher erfasst.

Wie lassen sich Wärmepumpen zur Nutzung der Abwärme bei Rechenzentren integrieren?

Das System steuert auf Basis verschiedener Parameter die Wärmepumpe an. Den Grundmechanismus zeigt die folgende Darstellung beispielhaft.

Die Wärmepumpe(n) in einem Rechenzentrum können nach folgenden Kriterien gesteuert werden:

• Direkte Nutzung der Abwärme: Wenn die Temperatur des Kühlwassers hoch genug ist, wird die Wärme ohne Umweg in das Wärmenetz eingespeist.
• Aktivierung der Wärmepumpe: Reicht die Temperatur nicht aus, schaltet sich die Wärmepumpe automatisch zu und hebt das Temperaturniveau auf die benötigte Vorlauftemperatur an.
• Lastmanagement: Die Wärmepumpe läuft bei hoher Serverlast und entsprechend viel Abwärme mit höherer Leistung. Bei niedriger Last drosselt oder schaltet sie ab, um unnötigen Stromverbrauch zu vermeiden.
• Außentemperaturabhängige Steuerung: An warmen Tagen wird bevorzugt die Wärmepumpe genutzt, um gleichzeitig Kühlung für das Rechenzentrum und nutzbare Wärme für Verbraucher bereitzustellen. Bei kälteren Außentemperaturen wird überschüssige Wärme – ohne zusätzlichen Pumpenbetrieb – direkt in das Wärmenetz eingespeist.
• Optimierung nach Strompreisen oder CO₂-Faktor: Moderne Systeme können zudem variable Stromtarife oder die aktuelle CO₂-Intensität des Strommixes berücksichtigen, um den Betrieb der Wärmepumpe möglichst nachhaltig zu gestalten.

Was sind die kritischen Erfolgsfaktoren bei der Abwärmenutzung von Rechenzentren mittels Wärmepumpen?

Wärmepumpen spielen oft eine Schlüsselrolle bei der Abwärmenutzung von Rechenzentren, da sie die Abwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau anheben oder zur Kühlung beitragen können. Ihre Integration muss jedoch so erfolgen, dass die Anforderungen des Rechenzentrums sowie die der Wärmenetze oder Abnehmer erfüllt werden. Dabei sind drei Aspekte entscheidend: Leistung, Effizienz (COP) und Redundanz.

• Die Leistung richtet sich nach dem kontinuierlichen Abwärmestrom des Rechenzentrums sowie dem maximal möglichen Wärmebedarf der Abnehmer. Oft werden Wärmepumpen nicht für die gesamte Abwärmeleistung ausgelegt, sondern modular (zum Beispiel 30–70 % der Gesamtlast). So können sie flexibel auf unterschiedliche Betriebszustände reagieren. Speicherlösungen (Puffer- oder Eisspeicher) ermöglichen zusätzliche Lastverschiebungen und reduzieren die notwendige Spitzenleistung der Wärmepumpen.
• COP (Coefficient of Performance): Der Wirkungsgrad hängt stark vom Temperaturniveau ab. Bei Einspeisung in ein kaltes Nahwärmenetz oder bei direkter Nachbarversorgung sind hohe COP-Werte (3,5–6) möglich, da nur moderate Temperaturhübe erforderlich sind. Für die Einspeisung in klassische Fernwärmenetze (60–70 °C) sinkt der COP typischerweise auf 2,5–3,5, weshalb eine sorgfältige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung notwendig ist. Um den realen Betrieb mit wechselnden Lasten zu bewerten, wird die Jahresarbeitszahl (JAZ) als Kennwert herangezogen.

• Redundanz: Da die IT-Kühlung niemals gefährdet werden darf, müssen Wärmepumpen redundant ausgelegt sein. Häufig wird das N+1- oder das 2N-Prinzip angewendet. Fällt eine Einheit aus, können die verbleibenden Wärmepumpen den Betrieb übernehmen. Zusätzlich werden Rückkühler oder Freikühlsysteme parallel betrieben, sodass die Abwärme auch ohne den Einsatz von Wärmepumpen sicher abgeführt werden kann. Modular aufgebaute Wärmepumpenlösungen bieten hier Vorteile, da im Wartungs- oder Störungsfall einzelne Module abgeschaltet werden können, ohne die Gesamtfunktion zu gefährden.

Wie lassen sich Redundanz und Ausfallsicherheit des RZ mit der Wärmebereitstellung kombinieren?

Die Redundanz und Ausfallsicherheit eines Rechenzentrums lassen sich mit der Wärmebereitstellung vereinbaren, indem die IT-Kühlung stets höchste Priorität hat und die Abwärmenutzung nur nachrangig erfolgt. Technisch wird dies durch hydraulische Entkopplung, redundante Kühlketten sowie automatische Bypass- und Rückkühlerlösungen sichergestellt. Dadurch wirken sich Störungen im Wärmenetz nicht auf das Rechenzentrum aus. Betriebsstrategien wie das „Best-Effort“-Prinzip gewährleisten, dass Wärme nur bei gesicherter IT-Kühlung abgegeben wird. Fallback-Mechanismen sorgen im Störfall für eine sichere Abführung der Abwärme. Ergänzend schaffen organisatorische Maßnahmen, wie definierte SLAs, klare Versorgungsgrenzen und Backup-Systeme auf Abnehmerseite, zusätzliche Planungssicherheit. Zu den Best Practices zählen N+1-Redundanz bei Wärmepumpen, duale Rückkühlpfade, Speicherintegration zur Lastpufferung sowie ein durchgängiges Monitoring mit GLT-Anbindung.

So bleibt die IT-Infrastruktur maximal ausfallsicher, während die Abwärmenutzung als verlässliche, aber eindeutig nachgeordnete Energiequelle genutzt wird.

In der Praxis werden Kombinationen von Abwärmenutzung und hoher Ausfallsicherheit bislang nur selektiv geplant. Zwar sieht der Stand der Technik robuste technische Lösungsansätze vor, doch die konsequente Integration ist in Neubauprojekten noch stärker verbreitet als bei Bestandsanlagen.

Typische Anwendungsfälle für die Abwärmenutzung von Rechenzentren

Je nach lokaler Ausgangslage und Land unterscheiden sich die Anwendungsfälle zur Abwärmenutzung großer Rechenzentren in Europa. Nachfolgend sind die häufigsten Anwendungsfälle zusammen mit dem entsprechenden hydraulischen Anlagenschema und den wichtigsten Planungsfragen dargestellt. Diese Anwendungsfälle sind:

• Einspeisung in städtische Wärmenetze
• Bidirektionales kaltes Nahwärmenetz mit dezentralen Wärmepumpe
• Direktversorgung von Nachbarn (z. B. Schwimmbad, Gewächshaus, Campus)
• Kühlung über Außenluft, See- bzw. Meerwasser und Wärmerückgewinnung

Einspeisung in städtische Wärmenetze (mit Wärmepumpe auf 60°C bis 75°C)

Die Abwärme des Rechenzentrums wird über einen Wärmetauscher und eine Großwärmepumpe (Temperaturanhebung auf 60–75 °C, je nach Netz) oder eine Wärmepumpenkaskade bei höheren Vorlauftemperaturen der Wärmenetze in städtische oder regionale Wärmenetze eingespeist.

Das Wärmenetz wird über eine Heizzentrale gespiesen. Zusätzlich wird die Abwärme des Rechenzentrums in das Wärmenetz eingespeist. Wenn der Wärmebedarf im Frühjahr oder Sommer abnimmt, wird die Abwärme des Rechenzentrums über einen Luft/Wasser Wärmetauscher abgeführt.

Diese Lösungen sind ideal für Städte mit ausgebauter Fernwärmeversorgung, wie sie in den nordischen Ländern sowie in Teilen der Niederlande, Deutschlands, der Schweiz, des Vereinigten Königreichs und Irlands zu finden sind. Es gibt viele europäische Praxisbeispiele.

Die Einspeisung in ein Nahwärmenetz ist dann sinnvoll, wenn sich ein Netz in der Nähe des Rechenzentrums befindet (max. 1–3 km entfernt), ein ganzjähriger Wärmebedarf vorhanden ist und der Netzbetreiber tiefe Rücklauftemperaturen (< 40 °C) hat oder Großwärmepumpen betreibt.

Reicht die Rechenzentrumsabwärme direkt oder sind Wärmepumpen nötig, um die Netztemperatur zu erreichen?

In den meisten Fällen reicht die Abwärme eines Rechenzentrums nicht aus, um ein konventionelles städtisches Wärmenetz mit 60–70 °C zu versorgen. In der Praxis sind daher meist Wärmepumpen oder andere Temperaturanhebungen notwendig. Typische Luft- oder konventionell wassergekühlte Rechenzentren liefern Austrittstemperaturen von ca. 30–45 °C. 

Wie hoch sind die Investitions- und Betriebskosten im Vergleich zu konventioneller Wärmeerzeugung?

Die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Versorgungsvarianten muss im Einzelfall geprüft werden. In einer Simulationssoftware wie Polysun lassen sich in einer frühen Planungsphase die verschiedenen Systemvarianten mittels eines Variantenvergleichs einander gegenüberstellen. Grundsätzlich lässt sich Folgendes feststellen: Die Investitionskosten einer Wärmepumpenlösung sind um den Faktor 5–10 höher als die eines konventionellen Gaskessels. Bei einem hohen COP und günstigem Strom können die Wärmegestehungskosten für die Einspeisung in ein konventionelles Wärmenetz sogar unter denen von Gas liegen. Die Abwärmenutzung von Rechenzentren gilt als klimaneutral und verbessert die CO₂-Bilanz. Förderungen können bis zu 40 % der Investitionen abdecken und verbessern dadurch die Wirtschaftlichkeit entscheidend.

Bidirektionales kaltes Nahwärmenetz mit dezentralen Wärmepumpen (Anergienetz)

Das Rechenzentrum speist seine Abwärme mit einer Temperatur von 20–35 °C direkt in ein kaltes Nahwärmenetz ein. Die angeschlossenen Gebäude (Wohnungen, Büros, Schulen etc.) verfügen jeweils über dezentrale Wärmepumpen, die die Temperatur lokal auf 45–65 °C anheben.

Die Abwärme des Rechenzentrums wird eingesetzt, um die Netztemperatur zu stabilisieren und leicht anzuheben. Im Sommer können die Gebäude über dasselbe Netz überschüssige Wärme ins Netz zurückspeisen. Diese wird wiederum, beispielsweise über die Regeneration eines Erdsondenfelds, als Quelle für die Kühlung des Rechenzentrums genutzt oder über den Abwasserwärmetauscher abgeführt. So entsteht ein bidirektionales System.

Der Vorteil liegt auf der Hand: Durch die niedrigen Temperaturen entstehen geringe Netzverluste, Wärmepumpen arbeiten mit hoher Effizienz und es entsteht eine ganzjährige Synergie zwischen Rechenzentrum und Quartier.

Welche Schnittstellen und Regelstrategien sind erforderlich, um bidirektional Wärme und Kälte bereitzustellen?

Um Wärme und Kälte flexibel und zuverlässig bereitstellen zu können, sind beim bidirektionalen kalten Nahwärmenetz spezielle Schnittstellen und Regelstrategien erforderlich.

Eine hydraulisch bidirektional ausgelegte Übergabestation bildet die zentrale Schnittstelle zwischen dem Rechenzentrum und dem Nahwärmenetz. Sie ist mit Wärmetauschern und Ventiltechnik ausgestattet, die sowohl das Einspeisen von Wärme als auch die Rückführung von Kälte ermöglichen. Um eine präzise Steuerung zu gewährleisten, sind an verschiedenen Stellen im System Temperatur-, Druck- und Durchflusssensoren installiert. Diese erfassen kontinuierlich die aktuellen Werte und übermitteln sie an das zentrale Leitsystem. Zusätzlich besteht eine Kommunikationsanbindung zu übergeordneten Energiemanagement- und Gebäudeleittechniksystemen. Diese berücksichtigen Wetterdaten und Verbrauchsprognosen, um den Betrieb dynamisch und effizient zu steuern.

Die Regelstrategien basieren häufig auf modellprädiktiven Verfahren, die mithilfe von Last- und Wetterprognosen den optimalen Betrieb von Wärmepumpen, Speichern und der Übergabestation planen. Die Kühlung des Rechenzentrums ist priorisiert, um höchste Betriebssicherheit zu gewährleisten. Die Abwärme wird bedarfsgerecht genutzt, sodass überschüssige Wärme ins Nahwärmenetz eingespeist oder bei Bedarf Kälte zurückgegeben wird. Vorlauf- und Rücklauftemperaturen sowie Massenströme werden dauerhaft geregelt, um stabile Netztemperaturen sicherzustellen. Zudem sind Schwellenwert- und Fallback-Mechanismen verankert, die bei Störungen automatisch auf konventionelle Kühl- oder Wärmequellen umschalten und so Ausfälle vermeiden.

Mithilfe dieser technischen Schnittstellen und ausgeklügelten Regelstrategien kann das bidirektionale Nahwärmenetz die Rechenzentrumsabwärme effizient nutzen, Lastspitzen ausgleichen und eine sichere, kontinuierliche Versorgung mit Wärme und Kälte gewährleisten.

Direktversorgung von Nachbarn (z. B. Schwimmbad, Gewächshaus, Campus)

Die Abwärme eines Rechenzentrums lässt sich auch dann sehr effizient vor Ort nutzen, wenn kein Nah- oder Fernwärmenetz in Reichweite liegt. In solchen Fällen wird die Wärme direkt an benachbarte Gebäude oder Anlagen geliefert. Dies geschieht in der Regel über eine Niedertemperatur-Ringleitung, die mit einer oder mehreren Wärmepumpen kombiniert wird. Die Wärmepumpe hebt das Temperaturniveau der aus dem Rechenzentrum ausgekoppelten Abwärme so weit an, dass es den Anforderungen der jeweiligen Abnehmer entspricht.

Das Rechenzentrum speist seine Abwärme direkt in die Ringleitung ein. Deckt das Hallenbad als Hauptabnehmer seinen Wärmebedarf, leitet das System die überschüssige Wärme zur Regeneration in den Eisspeicher weiter. Dezentrale Wärmepumpen versorgen anschließend die restlichen Gebäude, indem sie den Eisspeicher als Wärmequelle nutzen. Dank des konstanten Wärmestroms aus dem Rechenzentrum lässt sich der Eisspeicher kompakter und kosteneffizienter auslegen.

Ein besonders geeignetes Anwendungsfeld sind Bürokomplexe oder Campuslösungen. Befindet sich ein Rechenzentrum beispielsweise in der Nähe eines Universitätscampus, eines Büroparks oder eines Behördenkomplexes, kann die Abwärme direkt in ein lokales Leitungsnetz eingespeist werden. Dort wird sie auf 55 bis 70 °C erhitzt und zur Raumheizung oder Warmwasserbereitung genutzt. So entsteht eine stabile und energieeffiziente Wärmeversorgung innerhalb eines geschlossenen Areals.

Auch Einzelabnehmer können von einer solchen Lösung profitieren. Typische Beispiele sind Schwimmbäder, Sporthallen, Veranstaltungshallen, Nahversorger oder große Einzelhandelsgebäude. Diese Einrichtungen haben meist einen kontinuierlichen Wärmebedarf über das gesamte Jahr hinweg, insbesondere für die Warmwasserbereitung oder die Beheizung großer Flächen. Die direkte Anbindung an das Rechenzentrum liefert ihnen eine zuverlässige Wärmequelle, während sie gleichzeitig die Abwärme des Rechenzentrums sinnvoll nutzen.

Darüber hinaus gibt es industrielle Prozesse, bei denen die Abwärme von Rechenzentren eingesetzt werden kann. Beispiele hierfür sind die Trocknung von Produkten, die Beheizung von Gewächshäusern oder die Nutzung in der Aquakultur. In diesen Anwendungen werden in der Regel Temperaturen zwischen 25 und 45 °C benötigt. Reicht das Temperaturniveau der Rechenzentrumsabwärme nicht aus, können Wärmepumpen die Temperatur auf 55 bis 70 °C erhöhen. Damit lassen sich auch anspruchsvollere Prozesse zuverlässig versorgen.

Welche Regelstrategie gleicht Spitzenlasten aus?

Spitzenlasten werden durch eine Kombination aus kurzfristiger Pufferung, vorausschauender Betriebsführung auf Basis von Prognosen sowie saisonaler Speicherbewirtschaftung ausgeglichen. In Kombination mit einer flexiblen Wärmepumpensteuerung und Backup-Systemen ergibt sich eine robuste Regelstrategie, die die Lastprofile von Rechenzentren und Verbrauchern optimal koppelt.

Im Folgenden wird eine typische Regelstrategie für die Direktversorgung eines Bürokomplexes beschrieben: (Anpassung auf Beispiel in der Vorlage)

• Auf der kurzfristigen Ebene (Minuten bis Stunden) kommen Pufferspeicher sowie intelligente Regelalgorithmen zum Einsatz. Diese federn Lastspitzen ab, indem sie überschüssige Abwärme zwischenspeichern oder bei Bedarf kurzfristig zuschalten. Die Anlage regelt dies häufig über eine Vorlauftemperatur- oder Druckführung und ergänzt sie durch Lastprognosen auf Basis von Wetter- und Verbrauchsdaten.
• Auf der mittelfristigen Ebene (Tages- bis Wochenlasten) kann eine lastprognosebasierte Betriebsführung eingesetzt werden, die Wärmepumpen und Speicher vorausschauend einbindet. Dabei werden Wärmepumpen beispielsweise in Zeiten niedriger Strompreise oder hoher Abwärmeverfügbarkeit bevorzugt betrieben, während Speicher gezielt be- oder entladen werden.
• Die Regelstrategie richtet sich für den saisonalen Ausgleich (Sommer/Winter) stärker auf die Bewirtschaftung von Speichern aus: Saisonale Großspeicher (zum Beispiel Eisspeicher, ATES oder Pit-Storage) laden sich im Sommer kontinuierlich, um den Wärmebedarf des Quartiers im Winter abzudecken.
• Ein weiterer Schlüssel liegt in einer hybriden Regelung mit Priorisierung: Die Regelung priorisiert die Versorgungssicherheit des Rechenzentrums, während sie die Abwärmenutzung für das Quartier flexibel steuert. Dazu binden die Betreiber Spitzenlastkessel oder zusätzliche Wärmeerzeuger im Quartiernetz als Backup ein, sodass sie Versorgungslücken in Extremfällen decken können.

Welche Betriebsmodelle sind denkbar (Contracting, Eigenversorgung, Kooperation mit EVU/Stadtwerken)?

Für die Einbindung von Nachbarn in ein Abwärmekonzept von Rechenzentren sind unterschiedliche Betriebsmodelle möglich, die je nach Region und Projektstruktur verschieden stark verbreitet sind. In Deutschland dominiert klar die Kooperation mit Stadtwerken oder Energieversorgern, da bereits rund 14–15 % der Haushalte über Fernwärme versorgt werden und sich diese Netze gut für die Integration von Rechenzentrumsabwärme eignen; europaweit stammen etwa 43 % der Fernwärmemengen aus erneuerbaren Energien oder Abwärmequellen. Contracting-Modelle, bei denen ein Energiedienstleister die Infrastruktur errichtet, betreibt und die Wärme an die Quartiersnutzer verkauft, gewinnen zunehmend an Bedeutung, besonders bei innovativen Projekten oder wenn das Rechenzentrum selbst kein Versorgungsrisiko übernehmen möchte. Eigenversorgung durch das Rechenzentrum kommt dagegen nur selten vor und eignet sich vor allem für kompakte, klar abgegrenzte Quartiere mit kurzen Leitungswegen.

Kühlung über Außenluft, See- bzw. Meerwasser und Wärmerückgewinnung

Eine weitere Möglichkeit zur Nutzung der Abwärme von Rechenzentren ist die Kombination von Free Cooling mit Wärmerückgewinnung. Beim Free Cooling werden natürliche Kältequellen direkt genutzt, sodass auf energieintensive Kältemaschinen weitgehend verzichtet werden kann. Dieses Prinzip ist besonders in Nordeuropa verbreitet, da die Außentemperaturen dort über weite Teile des Jahres niedrig genug sind, um die Serverräume allein durch Außenluft oder indirekte adiabatische Verfahren zu kühlen. In solchen Klimazonen lassen sich 60 bis 80 Prozent der Jahresstunden ohne den Einsatz klassischer Kompressionskälteanlagen abdecken.

Neben der Außenluft bieten auch Wasserressourcen wie Seen, Flüsse oder das Meer hervorragende Kühlmöglichkeiten. Über sogenannte hydrothermale Netze wird kaltes Wasser aus natürlichen Quellen direkt in die Kühlkreisläufe von Rechenzentren eingespeist. Das dabei aufgenommene Temperaturniveau kann anschließend mithilfe von Wärmepumpen genutzt werden, um Heizwärme für umliegende Gebäude oder ganze Fernwärmenetze bereitzustellen. So entstehen gekoppelte Systeme, die gleichzeitig Kälte für das Rechenzentrum und Wärme für die Stadt liefern.

Das Rechenzentrum wird obigen Beispiel primär über die Aussenluft gekühlt. Die Abwärme des Rechenzentrums wird zum Heizen oder für einen Industrieprozess verwendet. Zusätzlich kann die überschüssige Abwärme übers Dach abgeführt werden.

Welche Jahresstunden sind für freie Kühlung mit Luft oder Wasser nutzbar?

Die Nutzbarkeit der freien Kühlung hängt stark von der jeweiligen Quelle und der lokalen Klimabedingung ab. Bei Außenluft lässt sich freie Kühlung immer dann einsetzen, wenn die Lufttemperatur unter der benötigten Kühlmitteltemperatur des Rechenzentrums liegt, typischerweise zwischen 18 und 24 °C. Frei nutzbar ist die Außenluft daher vor allem in Herbst, Winter und Frühling, teilweise auch in kühleren Sommernächten. Je nach Standort ergeben sich hier in Mitteleuropa etwa 1.000 bis 2.000 Betriebsstunden pro Jahr, während heiße Sommer die Nutzungsdauer deutlich reduzieren.

Bei See- oder Meerwasser als Kühlquelle ist die Nutzbarkeit höher, da die Wassertemperaturen im Jahresverlauf stabiler sind. Kühlung ist möglich, solange die Wassertemperatur unter der Solltemperatur des Rechenzentrums liegt. Daraus ergeben sich ein allgemein anerkanntes Erfahrungswertspektrum von 3.000 bis 4.500 nutzbare Stunden pro Jahr, abhängig von projektspezifischen Parameter wie geografischer Lage, Wasserquellentyp und Strömungsverhältnissen. Besonders tiefe Meeresschichten oder kalte Strömungen ermöglichen fast ganzjährige freie Kühlung.

Für die Wärmerückgewinnung gilt, dass nur der Teil der Abwärme, der während der Kühlung auf nutzbare Temperaturen abgeleitet werden kann, verwertbar ist. Das bedeutet, dass Wärmerückgewinnung besonders in den Winter- und Übergangsmonaten effizient ist, während in heißen Sommermonaten meist eine aktive Kühlung erforderlich ist und die nutzbare Abwärme begrenzt bleibt.

Ein entscheidender Mehrwert ergibt sich durch den Einsatz von Anlagensimulationsprogrammen. Mit solchen Tools lassen sich Jahresverläufe von Außentemperaturen, Wasserquellentemperaturen, Rechenzentrumslast und Kühlbedarf detailliert modellieren. So können die zeitlich variierenden Betriebsstunden der freien Kühlung präzise abgeschätzt und die Dimensionierung der Speicher, Wärmepumpen oder Bypass-Systeme optimiert werden.

Wie hoch sind die Betriebskosten im Vergleich zur klassischen Kühlung durch Kältemaschinen (Kompressionskälteanlagen)?

Die Betriebskosten lassen sich im Vergleich zur mechanischen Kälte deutlich reduzieren, allerdings hängen sie stark von der lokalen Quelle, dem Systemdesign und der Auslastung ab.

Bei der Außenluftkühlung entstehen die Betriebskosten im Wesentlichen durch den Energieaufwand für Pumpen, Ventilatoren, Regelungstechnik und die gelegentliche Nachkühlung durch mechanische Kälte. Da weniger energieintensive Kompressoren betrieben werden müssen, können die Energieeinsparungen beträchtlich sein – abhängig vom Standort, den Lufttemperaturen und der Auslastung des Rechenzentrums.

Bei der See- oder Meerwasserkühlung** fallen zusätzlich Investitions- und Betriebskosten für Wasserpumpen, Wärmetauscher und die Rohrleitungsinfrastruktur an. Der Energieaufwand ist jedoch weiterhin deutlich geringer als bei klassischen Kühlung durch Kältemaschinen, da die Kühlquelle über das Jahr hinweg stabile Temperaturen bietet. Studien und Praxisbeispiele zeigen, dass sich die Betriebskosten hier deutlich reduzieren lassen, wobei die Tiefsee- oder Flusswasserkühlung besonders energieeffizient ist.

Die Wärmerückgewinnung erhöht den wirtschaftlichen Nutzen, weil sie die Abwärme für Heizzwecke in Nachbargebäuden oder Quartieren nutzt. Dies reduziert die Notwendigkeit externer Heizenergie und amortisiert die Kühlinfrastruktur indirekt. In Verbindung mit freien Kühlquellen können die Gesamtkosten für die Bereitstellung von Wärme und Kälte somit deutlich unter denen eines ausschließlich auf mechanischer Kälte basierenden Systems liegen.

Wie lässt sich das System zur Abwärmenutzung von Rechenzentren bereits in der frühen Planungsphase optimieren?

Der Einsatz dynamischer Anlagensimulationen ermöglicht die exakte Planung und nachvollziehbare Dokumentation von Abwärmeprojekten von Rechenzentren. Mit Softwaretools wie Polysun lassen sich auch komplexe Wärmepumpensysteme mit mehreren Wärmequellen, Wärmepumpenkaskaden oder Stufenboostern realistisch abbilden. Zusätzlich können verschiedene Speichertechnologien, Steuerungsstrategien und die Anbindung an Nah- oder Fernwärmenetze detailliert simuliert werden.  

Dabei sind nicht nur die technischen Komponenten berücksichtigt, sondern auch dynamische Einflussgrößen wie Wetter- und Lastverläufe, Tarifstrukturen und zeitlich variable Energiepreise einbezogen. Auf dieser Grundlage erfolgt die Dimensionierung der Anlagen, die Auslegung der Hydraulik und die Optimierung der Regelung auf Basis zuverlässiger, jahreszeitlich abgestimmter Betriebsprofile. So können beispielsweise unerwünschte Start-Stopp-Zyklen von Wärmepumpen vermieden, Teillastwirkungsgrade gesteigert sowie der Energieeinsatz für Pumpen und Verdichter deutlich reduziert werden. Solche simulationsgestützten Optimierungen ermöglichen es die Betriebskosten um bis zu 40 Prozent zu senken, etwa durch optimales Speichermanagement und vorausschauende Betriebsstrategien.

Eine Simulationssoftware wie Polysun zeigt transparent die CO₂-Einsparpotenziale, indem es darstellt, wie die Verwendung von Rechenzentrumsabwärme in Kombination mit Wärmepumpen die Emissionen verringert – unter Berücksichtigung sowohl des verwendeten Strommixes als auch der eingesparten Heiz- und Kältesysteme, die die Abwärmenutzung ersetzt.

Weitere Anwendungsfälle finden Sie auf unserer Funktionenseite Abwärme nutzen.

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¹ Rudmer Zwerver, Shutterstock