Vom Energieverbrauch zur Energiequelle: Rechenzentren neu denken

KI treibt den Energiebedarf von Rechenzentren weiter nach oben. Der KI-Leuchtturm DC2HEAT hat gezeigt, wie ihre Abwärme zur Ressource für die Energiewende werden kann – mit Potenzial für 300.000 Wohnungen und 650.000 Tonnen CO₂-Einsparung jährlich.

Herr Dr. Hintemann, was hat Sie zu dem Projekt motiviert?

Der Stromverbrauch von Rechenzentren steigt kontinuierlich an, und mit dem Boom der KI beschleunigt sich diese Entwicklung noch einmal deutlich. Schon heute entfallen mehr als vier Prozent des deutschen Stromverbrauchs auf Rechenzentren. Hinzu kommt ein steigender Bedarf an Ressourcen wie seltene Erde oder Wasser. Damit sich die Digitalisierung positiv auf Umwelt- und Klimaschutz auswirkt, sollten die Rechenzentren der Zukunft deshalb so nachthaltig wie möglich gebaut und betrieben werden. 
Ein Ansatzpunkt hier ist die Abwärme der Rechenzentren. Der gesamte Strom, den ein Rechenzentrum verbraucht, wird letztlich zu Wärme. Bisher wird diese Wärme aber fast immer ungenutzt an die Umgebung abgegeben. Wir beschäftigen uns bei Borderstep deshalb schon seit vielen Jahren mit der Frage, wie sich Abwärme aus Rechenzentren sinnvoll nutzen lässt. Mit DC2HEAT wollten wir einen Schritt weitergehen und zwei Entwicklungen miteinander verbinden: den zunehmenden Einsatz von KI in Rechenzentren und die Möglichkeit, mit KI auch die Abwärmenutzung intelligenter und wirtschaftlicher zu machen.

Was war das Ziel dieses Leuchtturmprojektes?

Die Abwärmenutzung aus Rechenzentren aus der Nische herauszubringen und die praktische Umsetzung zu erleichtern. Technisch kann man Abwärme schon lange nutzen. Die Herausforderung besteht darin, das Gesamtsystem so zu gestalten, dass die Wärme wirtschaftlich und zuverlässig genutzt werden kann. Das Rechenzentrum, die Kühlung, gegebenenfalls Wärmepumpen, das Wärmenetz und natürlich die Abnehmer der Wärme müssen gemeinsam betrachtet und optimiert werden.
Hierfür haben wir in DC2HEAT mit intelligenten Digitalen Zwillingen gearbeitet. Sie bilden das reale System digital ab und ermöglichen es, verschiedene Betriebszustände und Szenarien zu simulieren und zu optimieren. Neben der technischen Entwicklung ging es uns darum, die beteiligten Akteure zusammenzubringen und die Fachöffentlichkeit über Lösungen und Potenziale zu informieren. 

Welche Ergebnisse konnten Sie erreichen?

Das Potenzial der Abwärmenutzung ist tatsächlich deutlich größer, als wir zu Beginn des Projektes annahmen. Wir schätzen, dass im Jahr 2035 in Deutschland rund drei Milliarden Kilowattstunden fossile Wärme durch Rechenzentrumsabwärme ersetzt werden könnten. 
Wir haben Modelle für intelligente Digitale Zwillinge entwickelt und untersucht, wie sich mit maschinellem Lernen die Abwärmeerzeugung und das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten besser prognostizieren und steuern lassen. Mit einem physischen Demonstrator konnten wir diese Ansätze praktisch erproben und zugleich anschaulich vermitteln. Wichtig war uns außerdem, dass die Ergebnisse in der Praxis auch nach Projektende genutzt werden können. Deshalb haben wir unter anderem ein Vorgehensmodell entwickelt, mit dem sich die entwickelten Lösungen auch auf andere Rechenzentren und Wärmenetze übertragen lassen. 

Welche Herausforderungen gab es im Projekt und konnten Sie dafür Lösungen finden?

Eine wesentliche Herausforderung war, dass sich konkrete Abwärmeprojekte in der Praxis langsamer entwickelt haben, als wir zu Beginn erwartet hatten. Wir mussten andere Praxisfälle identifizieren und in DC2HEAT integrieren, sodass wir unsere Methoden und Lösungen unter realitätsnahen Bedingungen entwickeln und erproben konnten. 
Eine weitere Herausforderung war die große Dynamik des gesamten Themenfeldes. Während der Projektlaufzeit haben sich Markt, Technik und insbesondere die regulatorischen Rahmenbedingungen deutlich verändert. Mit dem Energieeffizienzgesetz wurden erstmals konkrete Vorgaben für Energieeffizienz und Abwärmenutzung von Rechenzentren geschaffen. Gleichzeitig entstanden viele Fragen zur praktischen Umsetzung, und inzwischen befindet sich das Gesetz erneut in einem Novellierungsprozess. Für ein Forschungs- und Innovationsprojekt bedeutet dies, kontinuierlich auf veränderte Rahmenbedingungen reagieren zu müssen.

Welchen Impact haben die Projektergebnisse für den Umwelt- Natur- oder Klimaschutz? 

Der größte direkte Beitrag von DC2HEAT liegt ganz klar beim Klimaschutz und bei der Wärmewende. Bis 2035 könnten in Deutschland 300.000 Wohnungen mit der Abwärme aus Rechenzentren versorgt werden. Das entspricht einer möglichen Einsparung von rund 650.000 Tonnen CO₂-Äquivalenten pro Jahr. Etwa ein Viertel dieses Potenzials liegt allein im Großraum Frankfurt/Rhein-Main. Das passiert jedoch nicht automatisch. Das Potenzial kann nur ausgeschöpft werden, wenn Wärmenetze, Standorte, Technik und Rahmenbedingungen zusammenpassen. Und genau dieses Gesamtsystem nehmen wir mit DC2HEAT in den Fokus. 
Mit DC2HEAT haben wir außerdem Wissen über die Branche, Know-how zur Abwärmenutzung sowie praktische Lösungsansätze entwickelt und das Thema Nachhaltigkeit von Rechenzentren stärker in die Öffentlichkeit getragen. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zu den übergeordneten Fragen, wie wir mit dem wachsenden Ressourcenbedarf von Rechenzentren umgehen und diese künftig sinnvoll in klimafreundliche lokale Energiesysteme integriert werden können.

Sind die Ergebnisse des Projektes nachnutzbar oder können in anderen Bereichen eingesetzt werden?

Ja, das war von Anfang an ein wichtiger Teil des Projektes. Wir haben gezielt den Kontakt zu Dienstleistern und Rechenzentrumsbetreiber*innen aufgenommen, um unsere Lösungen in der Praxis zu testen und nach Projektende in die praktische Anwendung zu bringen. Konkret wird das KI-Softwareunternehmen Etalytics unsere Ergebnisse nutzen, um die Abwärmenutzung in ihre KI-Lösung zu integrieren. Außerdem gibt es mehrere große Abwärmeprojekte, die für die praktische Umsetzung mit unseren Daten arbeiten. 
Die Methoden der Digitalen Zwillinge, die KI-gestützten Prognose- und Optimierungsansätze und unser Vorgehen bei der Bewertung von Abwärmeprojekten lassen sich grundsätzlich breit anwenden und auf unterschiedliche Standorte übertragen. Auch bei bestehenden Rechenzentren kann Abwärme genutzt werden. Teilweise sind die Voraussetzungen dort sogar besonders günstig. Weil reale Betriebsdaten bereits vorliegen, können Wärmeversorger mit belastbaren Lastprofilen und Wärmemengen statt mit theoretischen Maximalwerten planen.
Die Erkenntnisse aus DC2HEAT sind insbesondere für Rechenzentrumsbetreiber, Stadtwerke, Wärmenetzbetreiber, Kommunen und Planer relevant. Viele der entwickelten Methoden sind aber auch über Rechenzentren hinaus interessant: Digitale Zwillinge und datenbasierte Optimierung können grundsätzlich überall dort helfen, wo schwankende Abwärmequellen intelligent mit einem Wärmebedarf zusammengebracht werden müssen.