Ein Leuchtturmprojekt in Sachen intelligente Energie für Städte: Im Frankfurter Quartier "Franky" sorgt Mainova mit kluger Infrastruktur dafür, dass die Abwärme des nahe gelegenen Rechenzentrums der Telehouse Deutschland nicht verloren geht, sondern Menschen damit ihre Wohnungen heizen und Wasser zum Duschen wärmen. Seit Baubeginn Ende 2021 entstehen dort rund 1.300 Wohnungen, dazu kommen Firmen und Geschäfte sowie drei Kitas. Die Menschen im Frankfurter Westen können sich auf ein lebenswertes neues Quartier mit 96.500 m² Wohnfläche freuen. Bis Mitte 2025 soll es fertiggestellt sein. Den Wärmebedarf kalkuliert Mainova auf rund 4.000 MWh pro Jahr. Die Quartierslösung nutzt die Abwärme des benachbarten Rechenzentrums von Telehouse, um 3.000 Bewohnerinnen und Bewohner mit Wärme zu versorgen. Dabei erhöhen Großwärmepumpen die Abwärme der Server von 30°C auf 70°C. So können schon heute 60 % der Wohneinheiten mit sauberer Wärme versorgt werden. Durch weitere Optimierungen sollen es perspektivisch sogar 75 % werden. Der restliche Bedarf wird mit umweltschonender Mainova-Fernwärme gedeckt. Mit der Kosten-Nutzen-Rechnung stießen Telehouse und Mainova auch beim Projektentwickler Instone Real Estate, der für den Bau des neuen Viertels zuständig ist, auf offene Ohren. Als Contracting-Partner sorgt Mainova für die Planung, den Bau sowie den Betrieb der technischen Anlagen für die Wärmeversorgung. Der Vertrag der drei Partner besitzt eine Laufzeit von 15 Jahren. Bis dahin wird Mainova mindestens 36.000 MWh Wärmeenergie aus dem benachbarten Rechenzentrum nutzbar gemacht haben. Im Vergleich zu konventioneller Wärmeerzeugung vermeidet die Kombination aus Abwärme und Fernwärme über den Zeitraum von 15 Jahren insgesamt 6.000 t CO2.

Die RhönEnergie Effizienz + Service GmbH, ein Mitglied der RhönEnergie-Gruppe, hat für das Fuldaer Löhertor-Quartier ein innovatives, aus mehreren Elementen bestehendes Energie-Konzept umgesetzt. Die Planungen hierzu basieren auf einer Machbarkeitsstudie aus dem Jahr 2018. In deren Rahmen wurden verschiedene Varianten einer innovativen Wärme- und Kälteversorgung für das Areal untersucht und gegenübergestellt. Neben der Wirtschaftlichkeit standen Nachhaltigkeit und Klimaschutz-Aspekte im Vordergrund der Überlegungen, mit dem Ergebnis, dass die im Folgenden beschriebene Abwassernutzung die effizienteste Art der Heizung und Kühlung darstellt. 

Aus einem Geschieberückhaltebecken gelangt das Abwasser in eine Schachtsiebanlage, die in einem 6 Meter tiefen Betonschacht mit einem Durchmesser von 2,5 Metern in die Straße eingelassen ist. Dort wird das Abwasser vorgereinigt indem Fremdstoffe ausgesiebt und in den Abwasserkanal zurückgespült werden, bevor es in einen externen Abwasserwärmetauscher gelangt, wo es – je nach Jahreszeit – als Wärmequelle oder Wärmesenke genutzt wird. Bis zu 190 m³/h des vorgereinigten Abwassers können auf diese Weise energetisch genutzt werden. Nach der Wärmeübertragung im Abwasserwärmetauscher fließt das Abwasser zurück in den Abwasserkanal. Selbst bei Außentemperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt die Temperatur des Abwassers im Durchschnitt zwischen +8°C und +11°C. In diesem Fall ist die Effizienz der Abwasserwärmepumpe deutlich besser als bei einer vergleichbaren Luft-Wasser-Wärmepumpe. Um die Energie aus dem Abwasser für die Gebäudebeheizung nutzbar zu machen, werden zwei Wärmepumpen eingesetzt, die ein Temperaturniveau von +45°C bis +55°C für den Heizungsvorlauf zur Verfügung stellen. Damit werden Heizkörper, Flächenheizungen und Lüftungsgeräte mit Wärme versorgt. Über ein Nahwärmenetz werden künftig weitere Gebäude auf dem Areal mit Wärme versorgt, die sich derzeit in der Bau- bzw. Planungsphase befinden. 

In den Sommermonaten liegt die Temperatur des Abwassers zwischen +16°C und +18°C. In diesem Fall wird es als Wärmesenke genutzt und die Büroräume können damit gekühlt werden. Auch hier erweist sich das System als vorteilhaft gegenüber einer konventionellen Kühlung, z. B. mit einem Kaltwassersatz, wo die überschüssige Wärme an die Außenluft zum Teil bei Temperaturen jenseits der 30°C, abgeführt werden muss. Ergänzt wird das Ganze durch zwei PV-Dachanlagen mit einer Peakleistung von insgesamt ca. 210 kW, sodass der zum Antrieb der Wärmepumpen benötigte Strom im Wesentlichen emissionsfrei vor Ort erzeugt werden kann. Bei Revisionsarbeiten an den für die Abwasserwärmenutzung eingesetzten Komponenten, kann die Wärmeversorgung des Areals, mit der Zentrale der RhönEnergie-Gruppe, einem Hotelkomplex, dem Finanzamt und der Wohnbebauung auch aus anderen Heizzentralen sichergestellt werden. Die einzelnen Heizzentralen sind hydraulisch über ein Gebäudenetz miteinander verknüpft. So befindet sich z. B. in der Heizzentrale der RhönEnergie Fulda ein BHKW, das mit CO2-neutralem Gas betrieben wird. Von dort kann die Wärme zu den unterschiedlichen Verbrauchsstellen auf dem Areal geliefert werden.

Das Wiesbadener RMCC ist Vorbild und Impulsgeber für innovativen Klimaschutz in Gebäuden und setzt auf Nachhaltigkeit als attraktives Qualitätsmerkmal für Veranstalter. Mit einem bis dato völlig neuen Energiekonzept versorgt sich das CongressCenter zu einem großen Teil selbst. Das RMCC wird über temperierte Bodenflächen mittels einer Wärmepumpe sowohl geheizt als auch gekühlt, wofür die Energie aus dem Abwasser des Kanals genutzt wird. Die Versorgung der Spitzenlasten und des Hochtemperaturkreislaufs erfolgt durch Fernwärme aus dem Fernwärmenetz der ESWE Versorgungs AG, welches folgende ökologische Parameter aufweist: CO2_Emissionsfaktor = 82 g CO2/kWh, PEF = 0,23. Die für den Betrieb der Wärmepumpe benötigte elektrische Energie, wird mittels einer Photovoltaikanlage mit zusammen 768 Modulen, die auf einer 13.000 m² großen Fläche des Hallendaches Nord verteilt sind, gewonnen. Die Photovoltaikanlage wurde von der Größe her so geplant, dass möglichst der gesamte Solarstrom im RMCC direkt verbraucht werden kann. Das Energiekonzept unterschreitet die Energieeinsparverordnung (EnEV) 2016, welches den hohen energetischen Standard des Kongresszentrums dokumentiert. Das RMCC wurde von der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e. V. (DGNB) mit dem Zertifikat in Platin ausgezeichnet.

Die Glatfelter Ober-Schmitten GmbH (ab 18.9.2023 Spezialpapierfabrik Ober-Schmitten GmbH, übernommen von Ostrest GmbH im August 2023) installierte einen Abwasserwärmetauscher, der dem betrieblichen Abwasser aus der Papierherstellung Wärmeenergie von jährlich 4,5 Mio kWh entzieht. Als Kühlmedium im Sekundärkreis werden 870.000 m³ Brunnenwasser für die Kondensator-Papieranfertigung als Prozesswasser verwendet. Die dem Prozesswasser zugeführte Wärmeenergie reduziert den Dampfeinsatz an den Papiermaschinen und spart 4,5 Mio kWh Erdgas pro Jahr. Die CO₂-Emission wird um 795 Tonnen pro Jahr reduziert. Die Spezialpapierfabrik Ober-Schmitten GmbH ist nach der Energienorm ISO 50001 zertifiziert und hat sich verpflichtet, die energetische Leistung kontinuierlich zu verbessern. Im Jahr 2020 wurden alle Prozesse in der Papieranfertigung auf mögliche Energieeinsparungen und Reduzierung der CO₂-Emission untersucht. Das Projekt der Wärmerückgewinnung des Abwassers hatte das größte Potential zur Reduzierung des Dampf-/Gaseinsatzes und der Reduzierung der CO₂-Emission. Die Planphase des Projekts erfolgte im Jahr 2021 und die Installation im Frühjahr 2022.

In der Nähe des weltweit größten Internetknotens und in unmittelbarer Nachbarschaft des Frankfurter Kulturzentrums in der Gwinnerstraße im Stadtteil Seckbach, entsteht zurzeit das Rechenzentrum der Mainova. Zwei eigens dafür im Rechenzentrum vorgesehene Hochtemperaturwärmepumpen bringen die Abwärme auf die notwendige Vorlauftemperatur von bis zu 75°C. Durch die Verwendung der Abwärme zu Heizzwecken – sowohl für das Rechenzentrum selbst als auch für benachbarte Gebäude – wird nachhaltig Energie eingespart. Gleichzeitig sinkt durch die Wärmeentnahme der Energieverbrauch für die Kühlung des Rechenzentrums. Dies spart zusammen rund 35 Tonnen CO2 im Jahr.
Das neue Rechenzentrum wird bis 2024 errichtet. Im gleichen Zeitraum erfolgt der Bau einer 110 Meter langen Trasse sowie die Umstellung der Wärmeversorgung auf dem Gelände der Batschkapp. Zurzeit wird das Veranstaltungsgebäude der Batschkapp und das Bürogebäude des Frankfurter Kulturzentrums in der Gwinnerstraße jeweils durch einen eigenen Gaskessel mit 240 kW bzw. 120 kW thermische Leistung für die Heizung und Warmwasseraufbereitung versorgt. Insgesamt beträgt der durchschnittliche jährliche Wärmebedarf beider Abnehmer in Summe rund 300 MWh. Die Gasheizung des Bürogebäudes wird im Rahmen der Umbaumaßnahmen demontiert und über eine Verbindungsleitung hydraulisch mit der Batschkapp verbunden. So kann bei Störungen oder Wartungen der Anlage im Notfall die Wärmeversorgung beider Liegenschaften über den bestehenden Gaskessel des Veranstaltungsgebäudes als Backup erfolgen.

Vor Beginn des Projekts entstand eine informelle Kooperation und ein Ideenaustausch zur zukünftigen Handhabung der Abwärmenutzung aus Rechenzentren in Offenbach zwischen der THM in Person von Herrn Prof. Lechner, der Energieversorgung Offenbach (EVO), der Lokalen Agenda21 Offenbach (LA21) sowie dem Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND) – Landesverband Hessen e.V. Dieser informelle Austausch mündete in der Beantragung des vorliegenden Forschungsvorhabens, in dem die EVO als Projektpartner und die LA21 sowie der BUND als assoziierte Partner auftreten. In diesem Verbundprojekt „InnovAbwNRZ“ werden technische und ökonomische Grundlagen zur Bewertung verschiedener Optionen der Abwärmenutzung aus Rechenzentren (RZ) erarbeitet. Darüber hinaus wurde am Beispiel Offenbach anhand eines realen Rechenzentrums ein Simulationsmodell zur Darstellung der nachhaltigen Abwärmenutzung entwickelt, in welches die erarbeiteten Grundlagen einfließen.
Im Rahmen der Projektlaufzeit wurde ein Rechenmodell entwickelt, das zur Planung und Berechnung von Abwärmepotenzialen in RZ genutzt werden kann. Dafür sind die gängigen Methoden der Serverraumkühlung sowie technisch umsetzbare Varianten der Abwärmenutzung programmtechnisch abgebildet worden. Die zuvor identifizierten, gängigen Kühlmethoden wurden einander gegenübergestellt, um das Optimierungspotenzial für ein Rechenzentrum hinsichtlich der Effizienzkennzahlen im Offenbacher Fernwärme-Versorgungsgebiet zu untersuchen.
Auf Basis der Ergebnisse der Marktstudie, der Analyse von Hemmnissen bei der Realisierung von Abwärmenutzungsprojekten und der Diskussionen im Rahmen eines Stakeholder-Workshops mit über 80 Teilnehmenden am 12.01.2023 in Frankfurt, wurde eine Roadmap „Abwärmenutzung aus Rechenzentren in Hessen“ entworfen, die Maßnahmen vorschlägt, wie die Abwärmenutzung aus Rechenzentren künftig forciert werden kann.

Im Neubaugebiet "Wohnen westlich des Schlossparks" im Wiesbadener Stadtteil Biebrich entsteht auf einer 2,5 Hektar großen Fläche, ein locker bebautes und übersichtlich strukturiertes Wohngebiet mit insgesamt über 100 neuen Wohneinheiten aufgeteilt auf 5 Mehrfamilienhäuser und 10 Reihenhäuser. Die ersten Häuser des neuen Quartiers wurden im Januar 2022 bezogen. Um das Quartier nachhaltig mit Erneuerbarer Wärme zu versorgen, wurde im nahgelegenen Mischwasserkanal ein Abwasserwärmetauscher der Firma Uhrig Energie GmbH verbaut. Über ein passives Netz wird die so gewonnen Energie in die angeschlossenen Häuser transportiert. Dort wird die benötigte Wärme für Raumwärme und Warmwasser mit Hilfe von Wärmepumpen der Firma Alpha Innotec bereitgestellt. Das Wärmekonzept wird vom ESWE Innovations- und Klimaschutzfonds gefördert. Der ESWE Innovations- und Klimaschutzfonds bezuschusst Projekte, die natürliche Ressourcen schonen und so zum Klimaschutz beitragen. Dabei werden Energiesparprojekte, innovative Technologien sowie der Einsatz erneuerbarer Energien unterstützt. Weiterhin wird der Wärmetauscher durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Dieser hat sich u. a. die Verringerung von CO 2-Emissionen, den Erhalt und Schutz der Umwelt sowie die Förderung der Ressourceneffizienz zum Ziel gesetzt.

Vom Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik der Universität Kassel - Institut für Thermische Energietechnik wurde eine Studie zur technischen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Fernwärmeversorgung mit Abwärme aus Rechenzentren (RZ) in Frankfurt und Eschborn durchgeführt. Im RZ-Cluster in Frankfurt Sossenheim befinden sich zehn bestehende RZ und drei weitere große RZ sind in Planung. Die dort entstehende Abwärme wird derzeit ungenutzt an die Umgebung abgegeben. In der Machbarkeitsstudie wurde untersucht inwieweit der Wärmebedarf der Bürostadt Süd in Eschborn und des Stadtteils Sossenheim durch Abwärme aus den RZ gedeckt werden kann. 

Dazu wurde eine detaillierte Potentialermittlung der Abwärme aus Rechenzentren mit besonderem Fokus auf dem nötigen technischen Aufwand einer Abwärmeauskopplung durchgeführt. Der Wärmebedarf und das Wärmelastprofil der Versorgungsgebiete wurde straßenzugscharf ermittelt. Verschiedene Wärmeversorgungskonzepte wurden verglichen und entsprechende Betriebssimulationen durchgeführt. Das entwickelte Versorgungskonzept wurde ökonomisch und ökologisch bewertet und es wurden Handlungsempfehlungen zur Umsetzung des Vorhabens aufgestellt. Unter den gegebenen Randbedingungen mit wenigen zentralen Abwärmequellen und der Versorgung von Bestandsgebäuden (flächendeckend ähnliche, hohe Temperaturen notwendig) hat sich ein Versorgungskonzept mit kaltem Abwärmesammelnetz, zentralen Großwärmepumpen und einem heißen Wärmeverteilnetz als besonders passend herausgestellt. Dabei können Skaleneffekte für die Hauptkomponenten (Wärmepumpen und Wärmespeicher) genutzt werden und der Betrieb des Wärmeversorgungssystems ist weniger komplex. Die prognostizierten Wärmegestehungskosten des Konzepts liegen bei 118 €/MWh und damit deutlich unter dem Vergleichswert für eine individuelle Wärmeversorgung der Gebäude mit Luft- oder Erdwärmepumpen.