Der Weg in eine klimaneutrale Zukunft Zero-Emissionen oder gar Klima-positiv

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Europa will bis 2050 klimaneutral werden. Deutschland eifert diesen Zielen voraus. Das Energieeffizienz-Gesetz 2023 (EnEfG) soll wesentliche Anforderungen der europäischen Energieeffizienz- Richtlinie umsetzen – und nimmt die Datacenter-Branche gezielt ins Visier.

Rechenzentren sind intensive Verbraucher von Energie, Wasser, seltenen Metallen und industriellen Kühlmitteln. Entsprechend breit gefächert sind die Ansätze zur Neutralisierung des ökologischen Fußabdrucks der Branche im Allgemeinen und einzelner Einrichtungen im Speziellen. Gemäß dem European Green Deal der EU-Kommission soll der gesamte ICT-Sektor in der EU bereits im Jahr 2030 das Ziel der Klimaneutralität erreichen – wohlgemerkt ohne Zertifikate.

Branchenführer wollen bereits selbst den Stier bei den Hörnern packen. Im Rahmen der Selbstverpflichtungsinitiative Climate Neutral Data Centre Pact haben sich einige Vordenker der europäischen Datacenter-Branche zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2030 die Umweltauswirkungen aller Rechenzentren in Europa (auf nahe Null) zu reduzieren.

Der Pakt, von Bitkom, dem eco-Verband der Internetwirtschaft e.V. und der GDA (German Datacenter Association) unterzeichnet, konzentriert sich auf fünf zentrale Bereiche: Energieeffizienz, Nutzung erneuerbarer Energien, Wassereffizienz, Kreislaufwirtschaft für Elektronik und Kreislaufwirtschaft für Wärme. Rechenzentrumsbetreiber, die den Pakt unterzeichnen, verpflichten sich zur Umsetzung von Maßnahmen und Praktiken, die auf diese Ziele hinsteuern, und durchlaufen eine Zertifizierung, um dies nachzuweisen.

Rund drei Viertel der Kapazität europäischer Rechenzentren sind bereits gemäß den Zielen für das Jahr 2023 des Climate Neutral Data Centre Pact zertifiziert. Das ist ein erheblicher Erfolg, wenn man beachtet, dass die Initiative erst im Jahre 2021 gegründet wurde. Zu den Unterzeichnern gehören Telehouse, VIRTUS, AWS, SAP, Datacenter United, Iron Mountain, Equinix und Digital Realty.

Eine ähnliche Initiative in der Bundesrepublik haben Branchenvorreiter unter dem Dach von eco – Verband der Internetwirtschaft e.V. mit der Allianz zur Stärkung digitaler Infrastrukturen in Deutschland gegründet. Die Allianz setzt sich unter anderem für die Nutzung von Datacenter-Abwärme, Künstlicher Intelligenz, den Abbau von Bürokratie und für „eine intelligente und nachhaltige Verbindung von Stadt- und Raumplanung sowie Energie- und Datennetzen – sowohl in Städten als auch im ländlichen Raum“ ein.

Noch ist es für die Branche zu früh, sich selbst auf die Schulter zu klopfen. Vielmehr gilt es, die Ärmel hochzukrempeln und um die Wette weiter zu innovieren. Denn für neue regulatorische Interventionen tickt bereits die Stoppuhr.

Effizienz und Klimaneutralität als Marschordnung

Das Energieeffizienz-Gesetz 2023 der Bundesregierung (EnEfG, bereits im Bundestag) konkretisiert deutsche Effizienzziele für Primär- und Endenergie bis 2030 mit Blick auf 2040 und 2045, und legt einige verpflichtende Maßnahmen bereits ab 2024 fest. Eine Reevaluierung ist für 2027 geplant. Das Energieeffizienz-Gesetz richtet ein ganz besonderes Augenmerk auf die Datacenter-Branche. Im Einklang mit der Energieeffizienzrichtlinie der EU vom 24 Juli 2023 wird die Klimaneutralität stufenweise Pflicht.

Die geplanten regulatorischen Änderungen haben Branchenanalysten einmal wieder einen Schrecken eingejagt. Der Branchenverband Bitkom bringt in der Studie „Rechenzentren in Deutschland 2023“ die Stimmungslage mit den Worten: „Analysten sind sich nicht einig“ treffend auf den Punkt. Die breit gefächerten Bewertungen führen die Beobachter „zumindest teilweise“ auf „die unklare zukünftige Entwicklung der rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für Rechenzentren in Deutschland“ zurück.

Ökostrom wird Pflicht!

Ab dem 1. Januar 2024 sollen Rechenzentren ihren Energiebedarf (bilanziell) zu 50 Prozent mit ungefördertem Strom aus regenerativen Energiequellen abdecken. Ab dem 1. Januar 2027 ist 100 Prozent Ökostrom Pflicht. Wer an das deutsche Stromnetz angeschlossen ist, bekommt halt den deutschen Strommix. Wer mehr Ökostrom wünscht, muss daher zusätzliche Maßnahmen ergreifen. Das Gesetz verlangt jedoch nicht, ungeförderten Strom aus erneuerbaren Energien physisch zu beziehen. Es genügt, den Bezug des Stromes bilanziell über den Erwerb entsprechender Zertifikate nachzuweisen. Diese „grünen“ Zertifikate („Erneuerbare-Energien-Zertifikate“) verwaltet in Deutschland das Umweltbundesamt (UBA). Sie sind im Herkunftsnachweisregister (HKNR) eingetragen.

Zum Erwerb von Herkunftszertifikaten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen wählt der Rechenzentrumsbetreiber erst einmal einen Energieversorger, der sie bereitstellen kann. Der Energieversorger kauft die entsprechende Menge an Herkunftszertifikaten, um den Stromverbrauch des Rechenzentrums zu decken, und stellt sie dem Datacenter-Betreiber als Nachweis für Kunden und andere Stakeholder zur Verfügung. Daraufhin werden die Zertifikate im HKNR entwertet, um sicher-zustellen, dass sie nicht erneut verwendet werden können.

Zu keinem Zeitpunkt dieser Prozedur fließt der „grüne“ Strom tatsächlich ins Rechenzentrum. Dadurch ist es möglich – so der Gedanke – „grüne“ Energieproduktion notfalls in weiter Ferne zu finanzieren, um den eigenen Energieverbrauch aus den öffentlichen Netzen auszugleichen – unabhängig vom tatsächlichen Strommix. (Viele Energieversorger bieten spezielle Ökostrom-Tarife an; diese sind eben mit solchen Herkunftszertifikaten unterlegt.) Eine weitere Möglichkeit stellt die ungeförderte Eigenstromerzeugung (z. B. aus Photovoltaik) dar. Diese geht mit einer Zertifizierung durch eine unabhängige Organisation einher.

Klimaneutral rechnen: Informationspflichten und Effektivität des Energieverbrauchs

Rechenzentren, die vor dem 1. Juli 2026 den Betrieb aufgenommen haben, müssen gemäß dem EnEfG ab dem 1. Juli 2027 eine Energieverbrauchseffektivität (Power Usage Effectiveness, PUE) von 1,5 erreichen oder unterschreiten und sie bis zum 1. Juli 2030 auf 1,3 drücken (die Betreiber dürfen sich jedoch bis zu zwei Jahre nach der Inbetriebnahme ihrer Einrichtungen dafür Zeit lassen). Laut Borderstep Institut brachten es deutsche Datacenter im Jahre 2020 im Branchendurchschnitt auf einen PUE-Wert von gerade einmal 1,63 (ohne Standalone-Server). Hocheffiziente Rechenzentren haben das Ziel von 1,3 schon längst „überboten“. Ab dem 1. Juli 2026 wird es für alle neuen Anlagen Pflicht.

Wer den Betrieb nach diesem Stichtag aufnimmt, darf den Wert von 1,3 nicht überschreiten und muss auch noch mindestens zehn Prozent der Energie (nach DIN EN 50600-4-6, Ausgabe November 2020) wiederverwenden. Wer sich mit der Inbetriebnahme bis zum 1. Juli 2027 Zeit lassen will, muss sich auf einen geplanten Anteil an wiederverwendeter Energie von mindestens 15 Prozent einstellen. Wer für den Startschuss noch ein Jahr länger braucht, muss bei derselben Metrik auf mindestens 20 Prozent kommen.

Der Gesetzesentwurf sieht Ausnahmen vor, unter anderem für den Fall eines unverschuldeten Schadens, einer noch nicht ausgeführten Vereinbarung über Abwärmenutzung und eines widerspenstigen Wärmenetzbetreibers, der die Abnahme verweigern sollte.

Die Branchenverbände Bitkom, eco und German Datacenter Association (GDA) finden, diese Regelungen gehen am Ziel vorbei. Sie halten vielmehr „eine korrespondierende Abnahmeverpflichtung von RZ-Abwärme bei den städtischen Energieversorgungsunternehmen“ sowie den „diskriminierungsfreien Zugang zu Wärmenetzen und zur Einspeisung“ in ihrem gemeinsamen Positionspapier für notwendig („Perspektiven für eine nachhaltige Rechenzentrenwirtschaft bis 2030“).

Entsprechend den neuen Effizienzvorgaben sind fortan kontinuierliche Messungen der elektrischen Leistung und des Energiebedarfs – für alle relevanten Komponenten wie Server, Klimaanlagen und Beleuchtung – und Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz Pflicht. Rechenzentrumsbetreiber im Kundenverhältnis müssen ihrer Klientel entsprechende Informationen zur Verfügung stellen – bereits ab dem 1. Januar 2024. Colocation-Anbieter haben den Energieverbrauch nach Kunden aufzuschlüsseln und Energie-Monitoring-Daten für sie zugänglich zu machen – ebenfalls zum selben Stichtag.

Diese neuen Effizienzvorgaben sollen Verschwendung eindämmen. Wie die Einhaltung der Regeln kontrolliert werden soll, ist bisher nicht klar. Denkbar wäre ein Ansatz wie der Vorschlag des IoT-Startups Ubirch aus Köln: Mit Sensoren ließen sich der Energieverbrauch und die erzeugte Abwärme erfassen und die Messwerte zertifizieren (hoffentlich unfälschbar). Ubirch hat dazu eine Datenbank entwickelt.

Unternehmen mit einem jährlichen Endenergieverbrauch von mehr als 2,5 GWh legt das Gesetz die Pflicht auf, Abwärme „nach dem Stand der Technik“ zu vermeiden. Sie müssen ihre Abwärme gemäß der Wirtschaftlichkeitsnorm DIN 17463 auf das technisch Unvermeidbare reduzieren und „durch Maßnahmen und Techniken zur Energieeinsparung durch Abwärmenutzung“ wiederverwenden.

Darüber hinaus sind diese Organisationen verpflichtet, Betreibern von Wärmenetzen, Fernwärmeversorgern und sonstigen potenziell wärmeabnehmenden Unternehmen auf Anfrage detaillierte Informationen über ihre Abwärme bereitzustellen und jährlich bis Ende März an die Bundesstelle für Energieeffizienz zwecks Veröffentlichung der betreffenden Daten zu berichten (erstmalig bereits zum 15. Mai 2024 oder 1. Juli 2025). Die Bundesregierung errichtet dahingehend ein Energieeffizienzregister für Rechenzentren.

(Nicht so) Heiß auf Datacenter-Abwärme

Bei konservativen Schätzungen könne ein einzelnes Rechenzentrum etwa fünf Megawatt überschüssige Wärme recyceln, glaubt Ozgur Duzgunoglu, Design & Engineering Director bei Telehouse Europe. Diese Abwärme käme mehr als 1.000 Wohnungen in der örtlichen Gemeinschaft zugute. Zusätzlich ließe sich die Investitionsrendite eines solchen Vorhabens in der halben Zeit erzielen, die Solaranlagen benötigen würden, um sich zurückzuzahlen. Ein besonders hohes Potenzial zur Rückgewinnung von Abwärme bieten Edge-Standorte. Edge-Rechenzentren beheizen hier und da bereits Büros, Schwimmbäder, Wohn- und Gewächshäuser.

Im Gegensatz zu guten Vorsätzen sind Wärmenetze in Deutschland bisher eine Rarität. Bis diese Infrastrukturen bereitstehen, könnte laut Dr. Ralph Hintemann, Forscher am Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit, noch mindestens ein Jahrzehnt vergehen. In Stockholm, dem Musterknaben der Wärmerückgewinnung, können sich Rechenzentren bereits seit 50 Jahren an ein heute 3.000 Kilometer langes Wärmenetz anbinden und dessen wohlgemerkt konstanten Bedarf das ganze Jahr über versorgen. An vielen bestehenden Datacenter-Standorten Deutschlands gebe es nicht nur kein Netz, sondern auch keine Abnehmer, so Hintemann. Das Wärmenetz in Frankfurt am Main, dem Sitz des weltweit größten Internetaustauschknotens, bringt es gerade einmal auf eine Gesamtlänge von etwa 300 Kilometern und hat im Sommer kaum willige Empfänger.

Durch die konsequente Nutzung der Rechenzentrumsabwärme könnten im Jahre 2030 in Frankfurt am Main sämtliche Wohn- und Büroräume klimaneutral geheizt werden, rechnet die Allianz zur Stärkung digitaler Infrastrukturen in Deutschland vor. „Schon heute könnte in der Stadt Frankfurt a.M. theoretisch mehr als 20 Prozent des Wärmebedarfs für Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen durch Rechenzentren gedeckt werden,“ glaubt Dr. Ralph Hintemann vom Borderstep Institut. Allein im Stadtgebiet von Frankfurt am Main stieg der Stromverbrauch der großen Rechenzentren zwischen den Jahren 2017 und 2022 um fast 130 Prozent auf knapp 2,4 Mrd. Kilowattstunden. Diese Energiemenge würde ausreichen, um etwa 100.000 Wohnungen mit Wärme zu versorgen, erläutert Dr. Hintemann. Damit die Nutzung der Abwärme heutiger luftgekühlter Rechenzentren rentabel sein kann, sollten die Stromkosten für den Betrieb der Wärmepumpe möglichst unter 3 Cent pro erzeugte Kilowattstunde der Abwärme liegen, hat das Borderstep Institut ermittelt.

Doch die Rechenzentrumsabwärme hat aufgrund der niedrigen Temperaturen nur mäßige Attraktivität. Ältere Fernwärmenetze können damit nichts anfangen. Ansätze wie die immersive Flüssigkühlung (oder eine Wärmepumpe, sofern überhaupt wirtschaftlich tragfähig) können die Qualität der Abwärme aufbessern. Bei der Flüssigkühlung von Servern erwärmt sich das Wasser auf bis zu 60 Grad Celsius; das ist schon ganz brauchbar für Nähwärmenetze. Fernwärmenetze haben im Gegensatz dazu Vorlauftemperaturen von 100 bis 110 Grad Celsius. Moderne Heiztechnik und neue Dämmstandards im Gebäudebestand dürften laut Prognose des Borderstep Instituts in den kommenden Jahren eine Absenkung dieser Temperaturen ermöglichen.

Laut einer Studie von ReUseHeat im Auftrag der Europäischen Union könnten Rechenzentren im europäischen Maßstab bis zu 50 Terawattstunden überschüssige Wärme pro Jahr liefern und damit zwei bis drei Prozent des Bedarfs der Gebäudeheizung von Haushalten decken. Im Übrigen: Die CO2-Abgabe wird voraussichtlich von 25 Euro pro Tonne zum jetzigen Zeitpunkt bis zum Jahre 2025 auf 55 Euro pro Tonne steigen. Die Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnung dürfte allein schon deswegen zunehmen.

„Heißluftfritöse“ Rechenzentrum

Nach dem EnEfG geht es in Deutschlands luftgekühlten Rechenzentren demnächst heiß(er) zu. Rechenzentren, die vor dem 1. Januar 2024 den Betrieb aufgenommen haben, dürfen bei der Luftkühlung von Informationstechnik die minimale Eintrittstemperatur von 24 Grad Celsius nicht unterschreiten; der Wert steigt ab dem 1. Januar 2028 auf 27 Grad Celsius. Wer den Stichtag für die Inbetriebnahme verpasst haben sollte, darf zur Kühlung der Informationstechnik nur Zuluft einsetzen, die mindestens 27 Grad Celsius erreicht. Eine niedrigere Eintrittstemperatur ist in beiden Fällen dennoch erlaubt, wenn sie ohne den Einsatz einer Kälteanlage erreicht wird.

Vorgaben des Energieeffizienz-Gesetzes in Bezug auf die Eintrittstemperatur finden jedoch keine Anwendung, sofern Anlagen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung sich in den Serverräumen des betreffenden Rechenzentrums befinden. Doch nicht zu früh freuen: Wer über genügend Räumlichkeiten verfügt, wird gesetzlich verpflichtet, die Anlagen für die unterbrechungsfreie Stromversorgung ab dem 1. Januar 2026 außerhalb der Serverräume aufzustellen und kann sich dann den neuen Vorgaben hinsichtlich der Eintrittstemperatur nicht mehr entziehen.

Energie- und Umweltmanagement mit System

Rechenzentrumsbetreiber müssen zum 1. Juli 2025 gemäß dem EnEfG ein Energie- oder Umweltmanagementsystem (EMS/UMS) einführen. Ausgenommen davon sind Datacenter, die ihre Abwärme zu mindestens 50 Prozent in ein Wärmenetz einspeisen, sofern ihr jährlicher durchschnittlicher Gesamtendenergieverbrauch innerhalb der letzten drei abgeschlossenen Kalenderjahre den Schwellenwert von 15 Gigawattstunden nicht überschreitet. Sollte jedoch ein Unternehmen mit dem kumulierten Energieverbrauch aller seiner Aktivitäten diese Grenze überschreiten, kann es sich der Pflicht dennoch nicht entziehen.

Für Rechenzentren mit einer nicht redundanten Nennanschlussleistung von einem Megawatt (bzw. 200 Kilowatt im Falle von Anlagen für öffentliche Träger) besteht zusätzlich – bereits ab dem 1. Januar 2025 – die Pflicht zur Validierung oder Zertifizierung ihres Energie- oder Umweltmanagementsystems. Anbieter von Energiemanagementsystemen werden nach ISO 50001, Anbieter von Umweltmanagementsystemen nach dem EU-weiten System EMAS (Eco-Management and Audit Scheme) in die Pflicht genommen.

Siemens bietet mit der Siemens Integrated Datacenter Management Suite (IDCMS) ein Rundumglücklich-Paket zur Überwachung des Rechenzentrumsbetriebs, 3D-Twins inklusive. Das Herzstück der Suite bildet Siemens PLM (Product Lifecycle Management), eine Lösung mit sieben Millionen Lizenzen in Umlauf. Zum Leistungsumfang der Suite gehört ein DCIM (Data Center Infrastructure Management) namens Datacenter Clarity LC. Siemens Desigo CC ist im Gegensatz dazu als ein reines Gebäudemanagementsystem ausgelegt. Erst die Integration von Datacenter Clarity LC mit Desigo CC schafft ein holistisches Bild des Datacenter-Betriebs.

EcoStruxure IT von Schneider Electric ermöglicht die Überwachung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen mit Messwerten, die neben der Temperatur auch die Feuchtigkeit umfassen, um den Kühlbedarf in Echtzeit zu optimieren. Mit der Übernahme der globalen Industriesoftwareschmiede AVEVA im Januar 2023 hat sich Schneider Electric eine Digital-Twin-Technologie für den gesamten Anlagenlebenszyklus angeeignet.

ABB Ability Data Center Automation kann unter anderem den CO2-Fußabdruck des Rechenzentrums ermitteln, den Wasserverbrauch überwachen, die Kühlung optimieren und Energieeffizienzberichte erstellen. Die Lösung integriert BMS- (Building Management System), EPMS- (Energy Management System) und DCIM-Fähigkeiten.

Schneider Electric hat eine Netto-Null-Verpflichtung für seine eigenen Betriebe und die gesamte Wertschöpfungskette bis 2030 an-gekündigt. ABB beschränkt sich bis 2030 auf Netto-Null für die eigenen Betriebe. Siemens fokussiert bis 2030 auf Netto-Null im Geschäftsbetrieb und bis 2050 in der Lieferkette.

Mit einer Lösung namens Intell-edge-nce hat die australische Edge Centers eine integrierte DCIM-, BMS- und EMS-Plattform speziell für Edge-Infrastrukturen entwickelt. Das Unternehmen baut nachhaltige modulare Edge-Pods, die sich zu 100 Prozent aus Photovoltaik versorgen können und ohne einen Anschluss an das Stromnetz auskommen (wohlgemerkt in Märkten wie dem sonnigen Australien).

Führende DCIM-Systeme können mittlerweile mit ausgefuchsten Funktionen rund um die Kohlenstoffbilanzierung und -berichterstattung aufwarten. In diese Kategorie fallen neben EcoStruxure IT und ABB Ability Data Center Automation unter anderem auch Nlyte, Sunbird DCIM und in geringerem Umfang das quelloffene OpenDCIM.

Carbon Trust bietet mit der Carbon Footprinting Software eine Lösung für die Bewertung von Treibhausgasemissionen aus Scope 1, Scope 2 und Scope 3. Zusätzlich zur Kohlenstoffbilanzierung kann die Software auch den Wasser- und Abfall-Fußabdruck bewerten. Scope 1, 2 und 3 sind Kategorien von Treibhausgasemissionen gemäß dem Greenhouse Gas Protocol:

• Die Scope-1-Emissionen verursacht das Unternehmen direkt selbst, indem es etwa ein eigenes Rechenzentrum betreibt.

• Scope-2-Emissionen entstehen „indirekt“ aus dem Verbrauch von gekaufter Energie (zum Beispiel Elektrizität, Wärme oder Dampf), die beispielsweise das eigene Rechenzentrum oder die eigene Fahrzeugflotte (Scope 1) am Laufen hält. Die Installation von Solarzellen oder die Beschaffung erneuerbarer Energien (-Zertifikate) gelten als begehrenswerte Scope-2-Maßnahmen.

• Scope-3-Emissionen entstehen ebenfalls indirekt, nämlich aus Entscheidungen Dritter. Public-Cloud- und Colocation-Dienste fallen in diese Kategorie genauso wie die übrige vorgelagerte Wertschöpfungskette einer Organisation.

• Unternehmen müssen ihre Emissionen stufenweise in allen drei Bereichen reduzieren. Datacenter-Betreiber, die ihre Emissionen nicht weiter reduzieren können, haben die Möglichkeit, in Kohlenstoffausgleichsprogramme zu investieren, um ihre Umweltauswirkungen durch „grüne“ Investitionen auszugleichen.

Das Energieeffizienz-Gesetz ermächtigt die Bundesregierung, durch Rechtsverordnung mit Zustimmung des Bundesrates eine Begriffsbestimmung, Anforderungen und Nachweispflichten für klimaneutrale Unternehmen festzulegen. Die Klassifizierung soll Organisationen zur Befreiung oder Erleichterungen von den Anforderungen und Pflichten des EnEfG berechtigen. Bisher gibt es eine solche Definition nicht. Bußgelder bei Vorsatz oder Fahrlässigkeit bei Verstoß gegen die Regelungen des EnEfG können bis zu 100.000 Euro betragen.

Fazit

Branchenführer sind den Zielen des Gesetzgebers einen guten Schritt voraus, manchmal sogar zwei. Mit dem geplanten Energieeffizienz-Gesetz wird die Messlatte für alle angehoben. Bahnbrechende grüne Technologien, ausgeklügelte Energie-Rückgewinnungssysteme und metrikgesteuerte Ansätze zur Überwachung und Optimierung der Energieeffizienz sollen den ökologischen Fußabdruck der Rechenzentrumsbranche reduzieren und ihr den Weg in eine hoffentlich klimaneutrale Zukunft weisen.

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