Abwärmerückgewinnung

Unter einem Park in Helsinki, in Höhlen im Gesteinsgrund gehauen, entnimmt eine Reihe großer Wärmepumpen Wärme aus dem behandelten Abwasser der Stadt und aus dem Wasser, das aus dem Fernkühlnetz zurückkehrt, und speist sie in die Fernwärme ein, die Häuser heizt. Das Katri Vala-Werk, das vom Energieunternehmen Helen der Stadt betrieben wird, produzierte 2017 570.000 MWh Wärme aus fünf großen Wärmepumpen, und eine sechste, die 2021 hinzugefügt wurde, sollte dies um bis zu 200.000 MWh pro Jahr erhöhen; seine Kapazität erreichte etwa 123 MW (Wikipedia, Energy in Finland, zitiert Helen, 2018). Die Hitze war schon da. Früher floss er in die Ostsee.

Abwärme ist die größte “Energiequelle”, die niemand zählt. Eine Studie aus dem Jahr 2016 schätzte, dass 72% der weltweiten Primärenergie nach der Umwandlung verloren geht, hauptsächlich als Wärme, und dass 63% der Abwärmeströme unter 100 °C sind (Forman et al., 2016). Die zweite Zahl ist die wichtigste. Wärme, die kühl ist, ist für die Stromerzeugung fast nutzlos und sehr nützlich zum Heizen von Gebäuden. Auf dieser Seite wird erklärt, warum und was es braucht, um sie zu verwenden.

Was es ist

Abwärmerückgewinnung bedeutet, Wärme zu fangen, die ein Prozess ohnehin freisetzt und sie an etwas zu liefern, das Wärme benötigt. Es gibt drei häufige Formen:

• Direkte Nutzung. Heißwasser oder Gas aus einer Fabrik, Verbrennungsanlage oder einem Kraftwerk fließt durch einen Wärmetauscher in ein Fernwärmenetz oder einen anderen Prozess. So begannen die meisten Wärmenetze in Dänemark und Schweden.
• Wärmepumpen auf kühlen Quellen. Abwasser, Rechenzentren, Supermärkte, U-Bahntunnel und Kühlwasser sind nur 10 bis 40 °C. Eine große Wärmepumpe erhitzt diese Wärme auf die 60 bis 90 °C, die das Netz benötigt, und verbraucht dabei viel weniger Strom als ein Kessel.
• Strom erzeugen. Heiße Abgase aus Öfen und Motoren, die typischerweise über 200 °C erhitzt werden, können eine Dampfturbine oder einen organischen Rankine-Zyklus (ORC) antreiben. Dieser ist eine kleine Turbine, die eine Flüssigkeit verwendet, die bei niedrigeren Temperaturen als Wasser kocht.

Wie es funktioniert

Der Wert von Wärme wird durch ihre Temperatur bestimmt. Eine kWh Wärme bei 30 °C und eine kWh bei 600 °C sind die gleiche Energiemenge, aber nicht die gleiche Ressource. Der Carnot-Wirkungsgrad, die Obergrenze für jeden Motor, der Wärme in Arbeit umwandelt, ist η = 1 − T_cold / T_hot, mit Temperaturen in Kelvin. Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C (298 K):

• Wärme bei 30 °C (303 K): 1 − 298/303 = 1.6%
• Wärme bei 90 °C (363 K): 1 − 298/363 = 18%
• Wärme bei 300 °C (573 K): 1 − 298/573 = 48%

Reale Maschinen erreichen weniger als die Hälfte dieser Obergrenzen. Organische Rankine-Zyklen, die übliche Wahl für die Rückgewinnung von Elektrizität aus mäßiger Wärme, wandeln typischerweise etwa 5 bis 20% der Wärme um, wobei diese mit der Temperatur ansteigt (Quoilin et al., 2013). Unterhalb von etwa 80 °C lohnt sich die Stromerzeugung selten.

Wärmepumpen funktionieren umgekehrt. Die Decke einer Wärmepumpe ist COP = T_hot / (T_hot − T_cold): je kleiner der Aufzug, desto mehr Wärme pro Stromeinheit. Die Erhöhung der 30 °C-Wärme des Rechenzentrums auf 80 °C hat einen Carnot-COP von etwa 6,4; echte große Wärmepumpen erreichen etwa die Hälfte, rund 3. So werden aus 100 kWh 30 °C Abwärme plus ca. 45 kWh Strom ca. 145 kWh Netzwärme. Der Strom wird nicht verschwendet, sondern auch als Wärme zurückgewonnen.

Die Entfernung ist die andere Einschränkung. Wärme ist teuer zu bewegen. Rohre, Gräben und Pumpen kosten pro kWh deutlich mehr als Stromkabel, und warmes Wasser verliert auf dem Weg Wärme. Abwärme ist wertvoll, wenn ein Wärmeverbraucher nahe der Quelle sitzt oder bereits ein Wärmenetz daran vorbeiführt. Modern “fourth generation” networks run at lower temperatures (around 50 to 70 °C) precisely so that more low-grade heat can be used (Lund et al., 2014).

Das Timing ist der dritte Faktor. Ein Rechenzentrum erzeugt das ganze Jahr über Wärme, die Häuser benötigen sie im Winter am meisten. Netze gleichen dies mit Wärmespeichern, anderen Wärmequellen und im Sommer durch Ableitung nicht nutzbarer Wärme aus.

Die Grenzen der Technik

• Temperatur. Die meisten Abwärme ist zu kühl für Strom. Die Carnot-Gleichung ist nicht verhandelbar.
• Abstand. Eine Quelle weit weg von jedem Wärmeverbraucher ist praktisch wertlos, wie groß sie auch sein mag.
• Missverhältnis in der Zeit. Die Wärme in Industrie- und Rechenzentrumsanlagen ist konstant; der Heizbedarf ist saisonal und erreicht an kalten Morgenstunden seine Höchstwerte.
• Zuverlässigkeit und Verträge. Ein Netzwerk kann nicht davon abhängig sein, dass eine Fabrik schließen oder ein Rechenzentrum umziehen muss. Verträge, Backup-Kapazitäten und Risikoverteilung sind dabei genauso wichtig wie Engineering.
• Effizienz an erster Stelle. Die beste Abwärme ist die Wärme, die nicht produziert wird. Bessere Prozesse und effiziente Server reduzieren die verfügbaren Ressourcen, was gut ist.

Reale Projekte, gemessen

Projekt	Wo, wann und wie	Wärmequelle und Skala	Was wird berichtet
Heiz- und Kühlanlage Katri Vala	Helsinki, Finnland, seit 2006, erweitert seit	Aufbereitetes Abwasser und Fernkühlungsrückwasser, große Wärmepumpen in Felskavernen	570.000 MWh Wärme im Jahr 2017 aus fünf Wärmepumpen; ein Sechstel ab 2021 fügt bis zu 200.000 MWh pro Jahr hinzu; insgesamt etwa 123 MW (Helen, 2018; Wikipedia)
Rechenzentrum Meta Odense mit Fjernvarme Fyn	Odense, Dänemark, seit 2020	Serverwärme wird durch Wärmepumpen in das Stadtnetz gefördert	Ziel: 100.000 MWh Wärme pro Jahr, genug für 6.900 Haushalte (Meta, 2020)
Stockholmer Rechenzentren	Stockholm, Schweden, seit 2017	Stockholm Exergi kauft Wärme aus Rechenzentren für das Stadtnetz	Ein Programm für “eine Rechenzentrumsindustrie, in der keine Wärme verschwendet wird” (Stockholm Data Parks)
Nordeuropäische Rechenzentren	Finnland, Schweden, Dänemark und Norwegen	Modelliertes Potential	Rechenzentrumswärme könnte einen beträchtlichen Anteil der Fernwärme in nordischen Städten decken, wenn Netze und Preise es erlauben (Wahlroos et al., 2018)

Zwei politische Signale zeigen, wohin das geht. Deutschland verlangt nun, dass neue Rechenzentren, die ab Juli 2026 in Betrieb gehen, mindestens 10% ihrer Energie wiederverwenden, ab Juli 2027 auf 15% und ab Juli 2028 auf 20%, es sei denn, es besteht eine Netzwärmevereinbarung (Energieeffizienzgesetz, § 11). Und Rechenzentren wachsen schnell: Die IEA schätzt, dass sie im Jahr 2024 etwa 415 TWh Strom verbrauchten, rund 1,5% des weltweiten Stroms, und bis 2030 auf etwa 945 TWh zugehen werden (IEA, Energy and AI, 2025). Fast der gesamte Strom wird als Niedertemperaturwärme abgegeben.

In Dänemark, Finnland und Schweden liefert die Fernwärme einen großen Anteil des Wärmemarktes, weshalb sie bei der Abwärmenutzung führend sind (Werner, 2017). An anderen Orten ist das fehlende Stück in der Regel das Netzwerk, nicht die Wärme.

Was es kostet

Die Abwärmerückgewinnung erzeugt keinen Strom, so dass der standortweite Benchmark (Dachsolaranlage bei ca. 0,19 $ pro kWh in unserem Shop Fan Wandmodell, innerhalb von Lazards Juni 2026-Bereich von $0.09 to $0,20 für gewerbliche Dachsolaranlagen) gilt nur für die kleinen Hochtemperatur-Fälle, die Strom erzeugen. Für Wärme ist der Konkurrent ein Gaskessel. Mit den gleichen runden Zahlen wie auf unserer Wärmespeicher-Seite (Großhandelsgas zu 35 € pro MWh, Kohle zu 70 € pro Tonne, ein 90%iger Kessel) kostet Gaswärme etwa 5 bis 6 Eurocent pro kWh.

Wärme aus einer Niedertemperaturquelle durch eine große Wärmepumpe kostet den Strom, geteilt durch den COP, plus die Ausrüstung, die über die von ihr gelieferten Wärme verteilt wird. Die veröffentlichten Kosten für große Wärmepumpen und Anschlüsse variieren stark je nach Standort, daher zeigen wir den Bereich als Berechnung (20 Jahre, 7% realer Diskontsatz, COP 3, Rohre und Anschluss nicht inbegriffen):

Installierte Kosten pro kW Wärme	Strom 50 € pro MWh, 3.000 Stunden im Jahr	Strom 50 €, 6.000 Stunden	Strom 100 €, 3.000 Stunden	Strom 100 €, 6.000 Stunden
€500	3.2 c	2.4 c	4,9 c	4.1 c
€1,000	4,8 c	3.2 c	6,5 c	4,9 c
€1,500	6.4 c	4,0 c	8.1 c	5,7 c

• Euro-Cent pro kWh Wärme. Unsere Berechnung: Gerätekosten × 0,0944 ÷ Stunden + Strompreis ÷ 3.*

Rückgewinnwärme ist in der Regel mit Gas wettbewerbsfähig Wenn die Wärmepumpe viele Stunden im Jahr läuft und sich die Quelle in der Nähe eines Netzes befindet. Ihre Schwachstellen sind die Rohrleitungen (ein neuer Anschluss von einigen Kilometern kann mehr kosten als die Wärmepumpe) und das Risiko, dass die Quelle verschwindet. Die direkte Nutzung von heißer Industriewärme, ohne eine Wärmepumpe, ist in der Regel die billigste Wärme, die ein Netz kaufen kann.

Die Stromerzeugung aus Abwärme ist anders: Eine ORC-Anlage konkurriert nur dort, wo die Wärme heiß, gleichmäßig und frei ist, und selbst dann ist ihre Leistung im Vergleich zur eingehenden Wärme klein.

Wo es gewinnen kann und wo nicht

Es kann gewinnen:

• Städte mit Wärmenetzen Die Anlage befindet sich in der Nähe von Rechenzentren, Abwasseranlagen, U-Bahn-Systemen, Supermärkten und Fabriken.
• Industrieparks, wo die Abwärme einer Anlage Prozesswärme einer anderen ist.
• New data centres designed from the start to deliver warm water, especially with liquid cooling at 40 to 60 °C.
• Hochtemperaturindustrie (Zement, Glas, Stahl, Chemikalien), wo Abgase über 250 °C eine ORC- oder Dampfturbine für Strom antreiben oder Materialien vorheizen können.
• Abwasserwärme, die stabil ist, in der Nähe von Städten und im Winter verfügbar ist.

Es kann nicht gewinnen:

• Entfernte Quellen ohne Wärmeverbraucher in der Nähe: ein Wüsten-Rechenzentrum oder eine isolierte Anlage.
• Niedertemperaturwärme in Strom umwandeln. Bei 30 bis 60 °C ist die Carnot-Obergrenze ein paar Prozent; daran ändert kein Gerät etwas.
• Orte ohne Wärmenetze, bis jemand eines baut. Das Netz, nicht die Wärme, ist in der Regel die wirkliche Investition.
• Als Grund, verschwenderische Prozesse zu behalten. Effizienz steht an erster Stelle.

Was ist bewiesen, plausibel und spekulativ

Nachgewiesen: Die Carnot-Grenzen für die Wärmerückgewinnung und Wärmepumpen; groß angelegte Wärmerückgewinnung aus Abwasser und Rechenzentren in Fernwärme in Helsinki, Odense und Stockholm; industrielle Wärmespeisenetze in Dänemark und Schweden; ORC-Einheiten zur Stromrückgewinnung aus heißen Industrieabgasen.

Plausible: die meisten neuen großen Rechenzentren in Europa liefern nutzbare Wärme, unterstützt durch Regeln wie die deutschen; Niedrigtemperatur-Netzwerke, die mehr niedrigwertige Wärme aufnehmen; flüssigkeitsgekühlte Server liefern 50 bis 60 °C Wasser, das wenig oder keine Wärmepumpe benötigt.

Spekulativ: wirtschaftlich sinnvoller Strom aus Wärme unter 80 °C; Wärmerückgewinnung in Städten ohne Netzplan; sich selbst amortisierende thermoelektrische Paneele auf gewöhnlichen Abwärmeflächen.

Offene Forschungsfragen

• Mapping. Wo, bei welcher Temperatur und in welcher Menge steht Abwärme zur Verfügung im Vergleich zu dem, wo Wärme benötigt wird? Offene, lokale Karten sind selten.
• Verträge und Risiko. Wer zahlt für die Verbindung, und wer trägt das Risiko, wenn die Quelle schließt?
• Niedertemperaturnetze. Wie man bestehende Hochtemperaturnetze und Gebäude auf einen kühleren Betrieb umstellt.
• Hochtemperatur-Wärmepumpen liefern Dampf bei 120 bis 200 °C für die Industrie, aus Abwärme bei 60 bis 100 °C.
• Saisonale Lagerung Das die Wärme des Sommer-Rechenzentrums für den Winter speichert.
• Messbare Leistung. Veröffentlichung von jährlichen Daten über Wärmelieferung, Stromverbrauch und Kosten für reale Projekte.

Was ein funktionierender Prototyp benötigt

Wärmepumpen und Wärmetauscher sind ausgereift. Die sinnvollen Innovationen sind in der kostengünstigen Anbindung von Quellen an die Nutzer, in Hochtemperatur-Wärmepumpen und in der Steuerung. Ein funktionierendes Modell sollte einem realen Nutzer gemessene Wärme liefern.

Phase	Arbeit	Entscheidung, die es ermöglicht	Grobe Kosten	Time
1. Wärmeaudit	Messung von Durchfluss und Temperatur eines realen Abfallstroms über mehrere Wochen mit Loggern; Kartierung der Wärmeverbraucher im Umkreis von 1 bis 2 km	Gibt es genügend Wärme, bei einer nützlichen Temperatur, nahe genug an einem Benutzer?	$5k to $20k	1 bis 3 Monate
2. Bankdemonstrator	Ein Wärmetauscher von 10 bis 50 kW und eine Wärmepumpe an der eigentlichen Quelle, mit Wärme- und Stromzählern	Gemessener COP, Verschmutzung und Zuverlässigkeit am realen Strom	$30k to $150k	6 bis 12 Monate
3. Pilotanschluss	Ein Anschluss an ein Gebäude oder ein kleines Netz, ein Jahr Daten, ein Wärmeliefervertrag	Reale Kosten pro kWh Wärme und Vertragsmodell	$0.3M to $2M	12 bis 24 Monate

Wen wir brauchen

• Fernwärmetechniker und Netzbetreiber.
• Wärmepumpen-Spezialisten, insbesondere für große und hochtemperaturbetriebene Maschinen.
• Rechenzentren und industrielle Energiemanager, die bereit sind, Temperatur- und Durchflussdaten auszutauschen.
• Stadtplaner und GIS-Analysten, um Quellen und Nutzer abzubilden.
• Juristen und Ökonomen, um Wärmeverträge zu entwerfen, die das Risiko fair aufteilen.
• Verfahrenstechniker für die Verunreinigung, Korrosion und Reinigung von Wärmetauschern an schmutzigen Strömen wie Abwasser und Rauchgas.

Haben Sie eine bessere Idee?

Einige Mitglieder der Stiftung haben vielleicht Kontakte, die einen Pitch für eine starke Energieidee hören könnten. Um pitcht zu werden, braucht eine Idee einen Ein funktionierendes, reales Modell, das tatsächlich Strom produziert; für eine Wärmerückgewinnungsidee bedeutet das ein Modell, das gemessene Wärme oder Elektrizität liefert, wobei seine Leistung und der eigene Energieverbrauch auf Instrumenten protokolliert werden, nicht beansprucht. Papierideen sind ebenfalls willkommen: Wenn die Physik und die Zahlen stimmen, können wir sie hier auf der Website veröffentlichen. Aber Kapital zu beschaffen ohne ein funktionierendes Modell ist sehr schwierig, und nichts hier ist ein Versprechen von Finanzierung, Renditen oder Einführungen.

Schicken Sie Ihre Idee über das Beitragsformular mit dem Problem, das sie löst, der Physikprüfung, einem ungefähren Preis pro kWh und dem günstigsten Test, der sie falsch beweisen könnte. Wenn Sie ein funktionierendes Modell haben, fügen Sie die gemessene Leistung hinzu und wie Sie sie gemessen haben. Die Energiequellen-Seite vergleicht diese und die anderen Alternativen auf dem Ideenradar.

Quellen

1. Forman, C., Muritala, I.K., Pardemann, R. und Meyer, B. (2016). Abschätzung des globalen Abwärmepotenzials. Zeitschrift für Erneuerbare und Nachhaltige Energien 57, 1568-1579.
2. 2018 (englisch). Neue Wärmepumpe soll wieder in Helsinki gebaut werden; Wikipedia, Energie in Finnland.
3. Meta (2020). Rechenzentrum Odense: Wärmerückgewinnung.
4. In: Stockholm Data Parks. Programm-Website.
5. Wahlroos, M., Pärssinen, M., Rinne, S., Syri, S. und Manner, J. (2018). Zukunftsbilder der Abwärmenutzung: Fallstudie von Rechenzentren in Nordeuropa. Renewable and Sustainable Energy Reviews 82, 1749-1764.
6. Van Den Broek, M., Dewallef, P., Lemort, V., Quoilin, S. und Declaye, S. (2013). Technisch-ökonomische Untersuchung von organischen Rankine-Zyklus (ORC) Systemen. Zeitschrift für Nachhaltige Energie 22, 168-186.
7. Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R. et al. (2014). Fernwärme der 4. Generation (4GDH). Energy 68, 1-11.
8. Werner, S. (2017). Internationale Übersicht über Fernwärme und Fernkälte. Energy 137, 617-631.
9. Deutschland (2023). Energieeffizienzgesetz (EnEfG), § 11: Rechenzentren.
10. IEA (2025). Energie und KI.
11. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, Version 19.
12. Local Solar System Die Stiftung. Das offene Modell der Fan Wall: Der Solar-Benchmark für Dachanlagen von 0,19 US-Dollar pro kWh.