Freitag, 20. Juli 2018
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Lösungen für die Sektorkopplung im urbanen Raum

Winand Zeggel

Power-to-Heat-Anlage im Heizkraftwerk Niederrad (Foto: Mainova AG)Die Energiewende erfordert eine vollständige Transformation des deutschen Energiesystems. Es bedarf einer neuen, flexiblen Verknüpfung von Erzeugung, Speicherung und Verbrauch, die mit einer Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Mobilität einhergeht. Urbanen Ballungsräumen wie Frankfurt am Main kommt in diesem Zusammenhang eine Schlüsselstellung zu. Mit ihren Infrastrukturen bieten sie beste Voraussetzungen für die intelligente Verknüpfung von Strom, Gas, Industrie, Mobilität und Fernwärme durch neue technische Lösungen.

Im Rahmen der Energiewende strebt Deutschland eine weitgehende Dekarbonisierung seiner Volkswirtschaft an. Um dieses Ziel zu erreichen, soll der Energiebedarf unseres Landes künftig vor allem mittels der erneuerbaren Energien Wind und Sonne gedeckt werden. Mit dem bloßen Zubau von immer mehr Windrädern und Solaranlagen ist es allerdings nicht getan. Die volatile Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zeichnet sich durch Nichtsteuerbarkeit und Dezentralität aus. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen für die Stabilität des Stromversorgungssystems. Zugleich gilt es, die erneuerbaren Energien auch im Wärme- und Mobilitätssektor zur Anwendung zu bringen.

Power-to-Heat am HKW-Standort

Eine technologische Antwort darauf ist Power-to-Heat. Diese Technologie ermöglicht in Verbindung mit städtischen Fernwärmesystemen und Heißwasserspeichern die Absorption großer Mengen überschüssiger Energie aus Solar- und Windkraftanlagen. Die Mainova AG hat 2013 am Standort des HKW Niederrad eine Power-to-Heat-Anlage in Form eines Durchlauferhitzers realisiert. Die Power-to-Heat-Anlage weist eine Leistung von 8 MW auf und besteht aus zwei jeweils 7,5 m langen Rohren mit rund 50 cm Durchmesser, in denen insgesamt 372 Heizelemente im Normalbetreib pro Stunde 200 bis 250 Kubikmeter Wasser auf bis zu 130 Grad Celsius erhitzen.

Die Anlage stellt negative Sekundärregelleistung zur Verfügung. Zusätzlich ergänzt sie bei negativen Strompreisen die Kraft- Wärme-Kopplung (KWK). Allerdings sorgen die Endverbraucherabgaben aktuell noch dafür, dass auch bei negativen Strompreisen die Wirtschaftlichkeit dieses Einsatzzwecks für sich genommen nur selten gegeben ist. Immerhin erhöht die Power-to-Heat-Anlage aber schon heute die Einsatzflexibilität bei negativen Strompreisen, da sie die Häufigkeit von Lastwechseln und damit letztlich den Verschleiß der Gas- und der Dampfturbine verringern hilft. Mit ihren 8 MW bietet die Anlage außerdem eine gewisse zusätzliche Absicherung gegen den Ausfall von Erzeugungskapazitäten. Power-to-Heat ist damit heute schon ein Bestandteil des Frankfurter Fernwärmesystems.

Abwärmenutzung mittels Großwärmepumpen – eine Zukunftsvision

In der Literatur und in technischen Versuchen wird eine weitere Technologie zur Kopplung von Strom- und Wärmesektor skizziert – die Nutzung von Abwärme mittels Großwärmepumpen für die städtischen Fernwärmesysteme. Die Mainova prüft im Rahmen ihrer langfristigen Wärmestrategie derzeit derartige Lösungsansätze. Im Fokus der Betrachtung steht insbesondere die Idee, durch den Einsatz von Wärmepumpen die Abwärme von Rechenzentren auf ein nutzbares Temperaturniveau anzuheben, um das Frankfurter Fernwärmenetz und ggf. auch Nahwärmenetze ganzjährig als Wärmesenken nutzen zu können. Denn die überschüssige Datacenter-Wärme kann nicht einfach so in das Fernwärmenetz eingespeist werden, da das Fernwärmenetz höhere Temperaturen und Drücke verlangt, als bei der Abwärme in Rechenzentren anfallen.

Dabei soll die kalte Seite der Wärmepumpen zugleich so ausgelegt werden, dass sie den Anforderungen des Kühlsystems der Rechenzentren genügt und dadurch „Cooling-as-a- Service“, also die Belieferung des Rechenzentrumsbetreibers mit Fern- bzw. Nahkälte, ganzjährig ermöglicht. Ziel ist es letztlich, durch Wärme-Kälte- Kopplung Synergien der Energiewandlungsprozesse zu nutzen und dadurch eine hohe Gesamteffizienz zu erreichen. Langfristige Vision ist die Nutzung der ohnehin vorhandenen Abwärme von Rechenzentren zur Einsparung von Primärenergie und CO2-Emissionen bei der Fernwärmeerzeugung und Bereitstellung von Kälte zu Kühlzwecken.

Kälte für Rechenzentren

Das theoretische Potenzial für diese Kombinationslösung aus Cooling-as-a-Service und Abwärmenutzung für das Fernwärmenetz ist in Frankfurt am Main grundsätzlich groß. Die Stadt zählt zu den Welthauptstädten des Informationszeitalters. Frankfurt ist eine gigantische Datendrehscheibe. Der German Commercial Internet Exchange (DE-CIX) ist gemessen am Datendurchsatz der größte Internetknoten der Welt. Keine andere Region hat weltweit mit nahezu 50 Terabit pro Sekunde eine höhere installierte Kapazität. Allein im Frankfurter Stadtgebiet betreiben nach Angaben des Branchenvereins Digital-Hub FrankfurtRheinMain über 35 kommerzielle Anbieter auf über 50 Flächen Rechenzentren. Darunter sind sechs große, internationale Betreiber, von denen jeder eine Fläche von mindestens 15.000 m2 bewirtschaftet bzw. jeder mehr als 20 MVA Strom bezieht. Mit einem weiteren, sehr dynamischen Wachstum der Branche am Standort in den kommenden Jahren ist zu rechnen.

Zusammengenommen sind die Rechenzentren schon heute – noch vor dem Flughafen - die größten Stromverbraucher im Frankfurter Stadtgebiet. Der große Energiehunger der Rechenzentren ergibt sich nicht zuletzt aus dem enormen Kühlbedarf dieser Serverfarmen. Neben dem eigentlichen Betrieb der ITInfrastruktur stellt deren Klimatisierung den größten Stromverbrauchsposten für die Rechenzentrumsbetreiber dar. Der Bedarf an Kälteleistung beträgt etwa 10 bis 13 MW bei 5.000 m2 IT-Fläche. Stand der Technik bei der Klimatisierung der Serverräume ist die freie indirekte Kühlung mit Luft. Bei kaltem Wetter erfolgt in der Regel freie Kühlung gegen die Umgebung. Bei steigenden Außentemperaturen findet dann zunächst ein Mischbetrieb aus freier Kühlung gegen die Umgebung und aktiver Kühlung mittels Kältemaschinen statt, bis schließlich nur noch reine aktive Kühlung über Kältemaschinen erfolgt.

Die Mainova geht bei ihren Berechnungen für die Frankfurter Rechenzentren derzeit von einer geschätzten installierten Kälteleistung von über 470 MW aus. Dabei gilt es allerdings zu beachten, dass die Systeme hohe Sicherheitsreserven aufweisen und zum Teil mehrfach gegen Ausfälle einzelner Komponenten abgesichert sind. Darüber hinaus liegen nur einige Zentren in einer geeigneten Nähe zum bestehenden Fernwärmenetz.

Erste Ergebnisse: Keine Lösungen von der Stange

Erste Ergebnisse der Prüfung des Konzepts der Abwärmenutzung von Rechenzentren mittels Großwärmepumpen liegen vor. Sie wurden am Beispiel eines umschriebenen Versorgungsgebiets in Frankfurt gewonnen und zeigen, dass es in derartigen Fällen entscheidend darauf ankommt, die Kälteleistung für die Rechenzentren und den Lastgang des umschriebenen Fernwärmenetzgebiets aufeinander abzustimmen. Grundsätzlich gilt, dass der Lastgang der Fernwärmeeinspeisung in Abhängigkeit von der Jahreszeit natürlicherweise erheblich schwankt. Bei kleinem Wärmeabnahmepotenzial kann das dazu führen, dass der Fernwärmebedarf im Winter erheblich größer ist als die erforderliche Kälteleistung, während sich im Sommer das Verhältnis umkehrt und das Wärmenetz als Wärmesenke nicht ausreicht. In diesem Fall wäre dann eine zusätzliche Kühlung notwendig. Bei großem Abnahmepotenzial für die anfallende Wärme kann die Abwärmenutzung mittels Großwärmepumpen so dimensioniert werden, dass im Sommer die Grundlast des Fernwärmesystems abgedeckt werden kann. Ohnehin gilt: Aufgrund der hohen spezifischen Investitionskosten eignen sich die Wärmepumpen nicht zur Spitzenlastabdeckung.

Die ersten Erkenntnisse der Prüfung zeigen, Lösungen von der Stange wird es wohl auch in Zukunft nicht geben. Theoretisch ist die Nutzung der Abwärme von Rechenzentren mittels Großwärmepumpen eine technische Option, strombasiert den Frankfurter Fernwärmebedarf anteilig zu decken. Aber es gilt, dass Projekte nicht nur technisch machbar, sondern auch wirtschaftlich sinnvoll umgesetzt werden müssen, um letztlich einen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten zu können.

Technologischer Ausblick

Künftig dürften sich neue Möglichkeiten dadurch ergeben, dass mit anderen Temperaturniveaus gearbeitet werden kann. Heute stellt sich die Temperaturspreizung wie folgt dar: Die Kühlwassertemperatur beträgt im Vorlauf 20 Grad Celsius, im Rücklauf 30 Grad Celsius. Im Fernwärmesystem beträgt die Vorlauftemperatur mindestens 90 Grad Celsius, im Rücklauf ca. 55 Grad Celsius Durch direkte Kühlung der Serverracks werden künftig Rücklauftemperaturen des Kühlwassers von bis zu 55 Grad Celsius möglich sein. Zugleich arbeitet die Industrie an Großwärmepumpen, die deutlich höhere Einspeisetemperaturen als die heute üblichen maximal 95 Grad Celsius ermöglichen sollen.

Für die Mainova tun sich damit perspektivisch Optionen auf, die Kopplung der Sektoren Strom und Wärme im urbanen Umfeld weiter voranzubringen und damit zusammen mit den Betreibern der Rechenzentren einen wichtigen Beitrag zum Gelingen der Energiewende zu leisten.

 
W. Zeggel, Bereichsleiter Erzeugung Wärme und Strom, Mainova AG, Frankfurt am Main w.zeggel@mainova.de

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