Rechenzentren als wachsende Energie- und Wärmesysteme
Rechenzentren sind heute ein fester Bestandteil moderner Infrastruktur. Cloud-Dienste, künstliche Intelligenz, Streaming-Plattformen und industrielle Digitalisierung erfordern hochverfügbare IT-Systeme, die rund um die Uhr betrieben werden. Aus energetischer Sicht handelt es sich dabei um konzentrierte elektrische Lasten mit klar definierten Betriebsprofilen.
Neben dem elektrischen Energiebedarf entsteht in Rechenzentren zwangsläufig Wärme. Verluste in der Leistungsumwandlung, im Serverbetrieb sowie in Nebenaggregaten führen dazu, dass nahezu die gesamte eingesetzte elektrische Energie letztlich in Wärme übergeht. Traditionell wird diese Abwärme als unerwünschter Nebeneffekt betrachtet, der zuverlässig abgeführt werden muss, um den sicheren Betrieb der Systeme zu gewährleisten.
Vor dem Hintergrund steigender Energiekosten, wachsender Netzauslastung und zunehmender Anforderungen an Effizienz wird dieser Ansatz jedoch zunehmend hinterfragt. Die Abwärme aus Rechenzentren wird heute immer häufiger als potenzielle Ressource betrachtet, die in übergeordnete Energiesysteme integriert werden kann.
Warum Abwärme eine systemische Herausforderung ist
Die Nutzung von Abwärme ist keine rein thermische Fragestellung. Sie stellt vielmehr eine systemische Herausforderung dar, bei der elektrische Auslegung, Thermomanagement, Regelungstechnik und Netzintegration eng miteinander verknüpft sind.
Aus Sicht der Leistungselektronik beeinflussen mehrere Faktoren die Menge und Nutzbarkeit der entstehenden Wärme:
- Wirkungsgrade von AC/DC- und DC/DC-Wandlern
- Lastprofile und Redundanzkonzepte
- Kühlarchitektur und Temperaturniveaus
- Schnittstellen zu externen Energie- und Wärmesystemen
Eine höhere elektrische Effizienz reduziert zwar die Verluste, eliminiert die Wärmeentstehung jedoch nicht vollständig. Selbst sehr effiziente Umrichter und Netzteile setzen einen Teil der elektrischen Energie in Wärme um. Die zentrale Frage lautet daher nicht, wie Abwärme möglichst schnell abgeführt wird, sondern wie sie kontrolliert, erfasst und systemisch genutzt werden kann.
Die Herausforderung besteht darin, Zeitpunkt, Ort und Temperaturniveau der Abwärme mit einem passenden Wärmebedarf zu koppeln. Dies erfordert eine frühzeitige Betrachtung auf Systemebene.
Finnland als Referenzbeispiel
Finnland gilt als relevantes Referenzland für die Nutzung von Abwärme aus Rechenzentren. Das Land vereint ein kaltes Klima mit einem weit verbreiteten Fernwärmenetz und einer hohen Erfahrung in der sektorübergreifenden Energieplanung.
In mehreren Projekten wird die in Rechenzentren entstehende Wärme gezielt erfasst und in bestehende Fernwärmesysteme eingespeist. Statt die Wärme über Kühlsysteme an die Umgebung abzugeben, wird sie über Flüssigkeitskreisläufe aufgenommen, mithilfe von Wärmepumpen auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben und anschließend zur Versorgung von Wohn- und Gewerbegebäuden genutzt.
Teilweise befinden sich diese Rechenzentren in unterirdischen Anlagen, etwa in ehemaligen Industrieanlagen oder Tunnelsystemen. Solche Standorte können stabile Umgebungsbedingungen bieten und das Thermomanagement unterstützen. Der wesentliche Erfolgsfaktor liegt jedoch nicht im Standort selbst, sondern in der konsequenten Integration in das lokale Energiesystem.
Rechenzentren werden dabei nicht als isolierte Verbraucher betrachtet, sondern als aktive Bestandteile eines vernetzten Energie- und Wärmesystems.
Rolle der Leistungselektronik bei Effizienz und Wärmeentstehung
Leistungselektronik spielt eine zentrale Rolle sowohl bei der Entstehung als auch bei der Beherrschung von Abwärme in Rechenzentren. Jede Stufe der elektrischen Energieumwandlung – vom Netzanschluss bis zur Versorgung einzelner Server – trägt zu den Gesamtverlusten bei.
Wesentliche Einflussfaktoren sind unter anderem:
- Wirkungsgrad und Topologie der Umrichter
- AC- oder DC-Verteilkonzepte
- Teillastverhalten und Redundanz
- Möglichkeiten für bidirektionale Leistungsflüsse
Eine effiziente Auslegung kann dazu beitragen, Verluste zu reduzieren und die Wärmeabgabe vorhersehbarer zu machen. Gleichzeitig können stabile Betriebsbedingungen die Integration in Wärmerückgewinnungssysteme erleichtern.
Bidirektionale Leistungssysteme werden in diesem Zusammenhang zunehmend betrachtet. Ihr primärer Nutzen liegt in der elektrischen Flexibilität und der verbesserten Netzintegration. Indirekt können sie jedoch auch dazu beitragen, Lastprofile zu glätten und damit thermische Randbedingungen stabiler zu gestalten.
Bedeutung der Systemintegration
Eine erfolgreiche Abwärmenutzung erfordert die enge Abstimmung zwischen elektrischen Systemen, thermischen Komponenten und dem öffentlichen Strom- und Wärmenetz. Einzeloptimierungen auf Komponentenebene reichen in der Regel nicht aus, um einen nachhaltigen Systemnutzen zu erzielen.
Wesentliche Aspekte der Systemintegration sind:
- Lastmanagement im Einklang mit Netzanforderungen
- Thermische Speicher zur Entkopplung von Angebot und Nachfrage
- Regelungskonzepte zur Koordination von Strom- und Wärmeströmen
- Definierte Schnittstellen zwischen privater Infrastruktur und öffentlichem Netz
In Finnland bieten bestehende Fernwärmenetze eine geeignete Grundlage für diese Integration. In anderen Regionen kann der infrastrukturelle Aufwand höher sein. Das grundlegende Prinzip bleibt jedoch übertragbar: Abwärmenutzung wird dann relevant, wenn sie frühzeitig in die Systemplanung einbezogen wird.
Für Ingenieure und technische Entscheider bedeutet dies, elektrische, thermische und netzseitige Aspekte gemeinsam zu betrachten.
Bedeutung für zukünftige Infrastruktur und Systemdesign
Mit dem weiteren Ausbau von Rechenzentrumskapazitäten wird auch das Thema Abwärme an Bedeutung gewinnen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Stromnetze durch Elektrifizierung und Digitalisierung.
Daraus ergeben sich mehrere technische Implikationen:
- Effizienz muss auf Systemebene bewertet werden
- Thermische Effekte sind Teil der elektrischen Systemauslegung
- Schnittstellen zu Energie- und Wärmenetzen gewinnen an Relevanz
- Flexibilität und Regelbarkeit werden zentrale Designkriterien
Abwärmenutzung ist kein universelles Konzept und nicht in jedem Umfeld wirtschaftlich umsetzbar. Sie verdeutlicht jedoch, welches Potenzial in einer integrierten Betrachtung von Energieflüssen liegt.
Fazit: Abwärme als Entwurfsparameter
Das finnische Beispiel zeigt, dass Abwärme aus Rechenzentren nicht zwangsläufig ein unvermeidbarer Verlust sein muss. Sie kann als Entwurfsparameter in die Planung von Energie- und Infrastruktursystemen einbezogen werden.
Voraussetzung dafür sind eine systemische Denkweise, geeignete technische Schnittstellen und eine enge Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Disziplinen. Für Entwickler von Leistungselektronik und Energiesystemen unterstreicht dieses Thema die wachsende Bedeutung von Effizienz, Integration und Regelbarkeit.
Zukünftige Energiesysteme werden nicht allein durch einzelne Komponenten bestimmt, sondern durch das Zusammenspiel elektrischer, thermischer und netzseitiger Strukturen. Die Nutzung von Abwärme kann dabei einen unterstützenden Beitrag leisten – als Ergebnis durchdachter Systemauslegung.
