Shamrockpark Herne: Abwärmenutzung aus Rechenzentrum und Industrie
Ausgangslage: Das Quartier Shamrockpark
Im Shamrockpark in Herne entsteht ein Energiesystem, dass auf der Quartiersebene viele Herausforderungen und Potentiale enthält, die für die Energiewende insgesamt große Bedeutung haben. Daher ist der Shamrockpark auch ein wichtiger Teil des vom BMWK geförderten Reallabors der Energiewende im Rahmen des Forschungsprojekts TransUrban.NRW. Wir bei heatbeat unterstützen das Projekt, indem wir die Gebäude, das innovative kalte Wärme- und Kältenetz und die Wärme- und Kälteerzeuger in unserem heatbeat Digital Twin abbilden. Damit unterstützen wir die Umsetzung dieses wichtigen Leuchtturmprojekts von der Planung, über die Umsetzung bis zur laufenden Optimierung im Betrieb.
Unsere interaktive 3D-Darstellung zeigt den Shamrockpark mit Gebäuden, Erzeugern und thermischem Netz. Dabei stellen die weißen Gebäude die Bestandsgebäude dar, während die blau eingefärbten Gebäude die neuen Gebäude zeigen. Ein wichtiger Aspekt aus Sicht des Energiesystems ist dabei, dass sowohl Bestandsgebäude als auch Neubauten gemeinsam aus einem Wärmenetz versorgt werden.
Bezüglich der Nutzungsarten handelt es sich um ein heterogenes Quartier, in dem sowohl Wohngebäude im Norden des Quartiers als auch viele Nicht-Wohngebäude, die z.B. Büroflächen, ein Hotel, eine Kantine, und ein Gesundheitszentrum umfassen. Und aus energetischer Sicht besonders wichtig ist, dass sich auf dem Gelände auch ein Rechenzentrum befindet. Die Nutzungsarten können Sie unserer interaktiven Karte entnehmen:
Das bedeutet zum einen, dass das Energiesystem einen großen Kältebedarf decken muss - auf der anderen Seite bietet die Kälteversorgung des Rechenzentrums aber auch ein großes Abwärmepotential. Und darüber hinaus bietet die räumliche Nähe zu einem großen Industriebetrieb ein weiteres Abwärmepotential. Damit liegt die zentrale Herausforderung in diesem Quartier darin, diese Potentiale und weitere Synergien bestmöglich zu nutzen, um die Gebäudebedarfe möglichst effizient zu decken. Dazu zeigt die folgende Abbildung eine Übersicht über die Bedarfe für Heizwärme, Trinkwarmwasser und Kälte:
Funktionsweise der kalten Nahwärme mit Abwärmenutzung
Die zentrale Herausforderung zur Nutzung der Abwärme aus Industrie und Rechenzentrum liegt darin, dass zwar große Mengen an Abwärme im Quartier zur Verfügung stehen, diese Abwärme aber nur auf einem geringen Temperaturniveau vorliegt. Daher ist die zentrale Idee des Energiesystems im Shamrockpark in Herne, ein bidirektionales, kaltes Nahwärmenetz als Energieplattform einzusetzen. Dabei erlaubt ein warmer Leiter bei 22 °C, dass auch Wärmequellen mit niedrigem Temperaturniveau wie die Abwärme aus Rechenzentrum und Industrie ihre Wärme direkt in das Netz einspeisen können. Gleichzeitig ermöglicht ein kalter Leiter bei 12 °C, dass die Gebäude direkt Kälte aus dem Netz beziehen können. Dazu ist es wichtig, dass das Netz als bidirektionales Netz verstanden wird. Das heißt, dass die Gebäude über dezentrale Pumpen je nach Wärme- oder Kältebedarf die Fließrichtung ändern können und entweder aus dem warmen oder aus dem kalten Leiter versorgt werden.
Ein wichtiger Nebeneffekt von dieser bidirektionalen Nutzung des Netzes ist, dass jede Wärmeabnahme aus dem warmen Leiter gleichzeitig ein Kühlpotential in den kalten Leiter des Netzes zurückgibt. Gleichzeitig erzeugt jede Kälteabnahme aus dem kalten Leiter mit Rückspeisung der überschüssigen Wärme in den warmen Leiter des Netzes ein Abwärmepotential. Das bedeutet auch, dass sich ein großes Potential für Synergien ergibt. Wenn im Netz gleichzeitig Wärme- und Kältebedarfe anliegen, können sich diese innerhalb des Netzes selbst ausgleichen. Und da mit dem Rechenzentrum auch während der Heizperiode ein großer kontinuierlicher Kältebedarf im Netz vorliegt, bietet der Shamrockpark sehr gute Voraussetzungen für den Einsatz eines solchen Energiekonzepts.
Um trotz des niedrigen Temperaturniveaus im Netz die Temperaturanforderungen der Gebäude bedienen zu können, enthalten die Übergabestationen der Gebäude zusätzlich dezentrale Wärmepumpen. Und da die Quelltemperatur für die Wärmepumpen mit dem Netz bei 22 °C sehr günstig für die Effizienz der Wärmepumpen liegt, können in diesem Fall auch die Bestandsgebäude mit höheren Temperaturanforderungen im Gebäude von 60 - 65 °C effizient über die Wärmepumpen versorgt werden.
Bewertung von Netzbetrieb und Abwärmenutzung aus Rechenzentrum und Industrie
Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen Wärme- und Kältebedarfen, des daraus resultierenden dynamischen Netzbetriebs und auch wegen der Wechselwirkungen zwischen dezentralen Wärmepumpen und dem Netz ist eine Systembewertung und Optimierung nicht anhand einfacher Erfahrungswerte möglich. Deshalb unterstützen wir das Projekt mit der dynamischen Simulation unseres heatbeat Digital Twins. Dies erlaubt uns zum einen eine hochaufgelöste Betrachtung des Netzbetriebs und zum anderen auch eine genaue Bewertung der Effizienz des Gesamtsystems über längere Zeiträume.
Beispielhaft zeigt die folgende Animation den Netzbetrieb für den Verlauf eines Tages mit hoher Wärmelast im Netz. Dabei veranschaulicht die Liniendicke im Netz den jeweils vorliegenden Volumenstrom. Daraus geht hervor, wie bei niedriger Last im Tagesverlauf ein Großteil des Quartiers über die Abwärme des Rechenzentrums versorgt wird und die Haupteinspeisung nur die Spitzenlasten abdecken muss.
Darüber hinaus zeigt das folgende Sankey-Diagramm anschaulich, welch großen Einfluss die Ausgleichseffekte zwischen Wärme- und Kältebedarfen im Netz haben. Als Ergebnis zeigt sich, dass mit diesem Energiekonzept nur ein kleiner Teil an industrieller Abwärme in das System eingebracht werden muss, um die Wärmebedarfe zu decken, da so viel Abwärme aus dem Rechenzentrum direkt innerhalb des Netzes selbst wiederverwertet wird. Und auch zur Deckung der Kältebedarfe reduziert sich der Aufwand der Kompressionskältemaschinen im Rechenzentrum und der Haupteinspeisung durch die Ausgleichseffekte deutlich. Damit zeigt das Beispiel Shamrockpark sehr eindrücklich, welche Potentiale durch eine detaillierte Optimierung des Energiekonzepts für die Wärme- und Kälteversorgung von Quartieren gehoben werden können.
Für dieses Projekt danken wir unseren Projektpartnern für die hervorragende Zusammenarbeit und besonders dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die Förderung des Projekts. Sollten Sie noch weitere, generelle Informationen zum Shamrockpark benötigen, oder wenn Sie sich für unseren weiteren Projekte im Rahmen des Forschungsprojekts TransUrban.NRW interessieren, können sie sich hier weiter informieren.
