Optimierung der Auslegung einer resilienten erneuerbaren Energieversorgung für Rechenzentren

Die fortschreitende Digitalisierung und der wachsende Einsatz von Künstlicher Intelligenz steigern den Energieverbrauch von Rechenzentren aufgrund des zusätzlichen Bedarfs an Rechenleistung und Datenverarbeitung. Dabei rücken effiziente und vor allem nachhaltige Energieversorgungskonzepte zunehmend in den Fokus der Forschung. Die vorliegende Arbeit untersucht die Integration erneuerbarer Energien (EE) wie Photovoltaik (PV) und Windenergie sowie Speichersysteme in Rechenzentren und bewertet deren energetische und wirtschaftliche Auswirkungen. Die Grundlage der Analyse bilden das reale Lastprofil eines Rechenzentrums, die Erzeugungsprofile von PV- und Windenergiesystemen und die Lade- und Entladeprofile von Batteriespeichern. Mithilfe dieser werden unterschiedliche Versorgungsszenarien untersucht und mit Referenzszenarien ohne Eigenerzeugung verglichen. Die Dimensionierung der Anlagen verfolgt zunächst das Ziel, einen nahezu autarken Betrieb des Rechenzentrums abzubilden, wodurch der Mehrwert von EE analysiert wird. Im nächsten Schritt wird für eine wirtschaftliche Bewertung und Auslegung der Energiesysteme die Kapitalwertmethode (Net present value, kurz NPV) eingesetzt. Neben den einmaligen Investitionskosten für PV- und sowie Batteriespeicher fließen auch die laufenden Betriebs- und Netzstromkosten in die Berechnung ein. Zusätzlich wird zur Generierung eines weiteren Erlösstroms eine theoretische Abwärmenutzung des Rechenzentrums modelliert. In der NPV-Rechnung wird analysiert, ab welcher Dimensionierung der Anlagen ein positiver NPV (d.h. Rentabilität) über die Laufzeit erreicht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass eine autarke Versorgung des Rechenzentrums mit einer erheblichen Überdimensionierung der Energiesysteme verbunden ist. Allerdings verbessern bereits kleinste Skalierungen der Anlagen die Rentabilität im Vergleich zum Referenzszenario. Eine besonders vorteilhafte Entwicklung des NPV ergibt sich bei einer balancierten Kombination der Energiequellen sowie bei einer reinen PV-Versorgung. Das Szenario mit reiner Windversorgung verbessert zwar den NPV, erreicht hingegen keine vollständige Rentabilität. Mithilfe einer Abwärmenutzung kann zudem die Erlösquote unterstützt werden, dennoch erfordern alle Szenarien hohe Anlagenleistungen zur Erreichung eines positiven NPV. Die Arbeit ermöglicht damit eine energetische und wirtschaftliche Bewertung verschiedener Versorgungskonzepte für Rechenzentren und deren Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen.