Odpadní teplo z datacenter: z provozní nutnosti se stává energetický zdroj

Rostoucí výpočetní výkon, rozvoj AI a vyšší hustota serverových racků zásadně mění energetickou bilanci datacenter. Teplo, které bylo tradičně pouze odváděno do okolí, se stále častěji stává využitelným energetickým zdrojem. Jeho integrace do systémů vytápění, tepelných čerpadel nebo sítí dálkového vytápění však vyžaduje správně navrženou cestu přenosu energie – od chlazení IT infrastruktury až po konečného odběratele.

Datacentrum už není pouze spotřebitelem energie

Datová centra patří mezi energeticky nejnáročnější technologické provozy. Elektrická energie spotřebovaná servery a další IT infrastrukturou se z velké části nakonec přemění na teplo, které je nutné kontinuálně odvádět.

Tento problém nabývá na významu s rostoucí hustotou výpočetního výkonu.

Zatímco starší datacentra pracovala s tepelnou hustotou přibližně 3–5 kW na rack, po roce 2020 se běžné hodnoty posunuly přibližně na 15–30 kW/rack. U nové generace AI a HPC infrastruktury se počítá s hodnotami přesahujícími 50–70 kW/rack a další vývoj může tuto hranici posunout ještě výrazně výše.

Vyšší výpočetní výkon tak znamená nejen vyšší spotřebu elektřiny, ale také větší množství tepla, které je potřeba bezpečně odvést.

Právě zde se mění pohled na energetiku datacenter.

Teplo přestává být pouze problémem chlazení. Stává se potenciálním energetickým zdrojem.

Od „waste heat“ k využitelné energii

Tradiční chladicí systém datacentra řeší především jednu úlohu: udržet IT infrastrukturu v požadovaném teplotním rozsahu a vznikající teplo odvést.

Pokud však existuje vhodný odběratel, lze část této energie zachytit a dále využít například pro:

• vytápění budov,
• přípravu teplé vody,
• systémy dálkového vytápění,
• průmyslové procesy,
• další lokální energetické systémy.

Datacentrum se tím z čistého spotřebitele energie může částečně stát také zdrojem tepelné energie pro své okolí.

Technickou výzvou není samotná existence tepla, ale především jeho teplotní úroveň a způsob přenosu.

Teplo získávané z chladicích okruhů datacenter může být dostupné při relativně nízkých teplotách, často přibližně do 40 °C. To může být nedostatečné například pro přímé napojení na konvenční síť dálkového vytápění.

Řešením je proto často kombinace:

chladicí okruh datacentra → výměník tepla → tepelné čerpadlo → sekundární energetický systém.

Tepelné čerpadlo zvýší teplotní úroveň energie. Výměníky zajišťují její kontrolovaný přenos mezi jednotlivými hydraulickými okruhy.

Rostoucí výkon mění také způsob chlazení

S vyšší tepelnou hustotou serverů se mění samotná architektura chlazení.

Vedle tradičních vzduchových systémů CRAC a CRAH se stále více prosazují technologie umožňující odvádět vysoké tepelné zatížení blíže jeho zdroji.

Patří mezi ně například:

Rear Door Heat Exchangers (RDHx), Indirect Liquid Cooling, Direct-to-Chip Cooling nebo Immersion Cooling.

Přechod od vzduchu ke kapalině je významný také z pohledu dalšího využití energie.

Pokud je teplo zachyceno přímo do kapalného média, lze jej efektivněji přenášet a následně využít v dalším energetickém systému.

Chladicí technologie se tak postupně stává součástí širší energetické infrastruktury datacentra.

Nestačí znát pouze tepelný výkon

Pro využití odpadního tepla nestačí říci, že datacentrum produkuje například několik megawattů tepelné energie.

Pro technický návrh je zásadní znát především:

• dostupnou vstupní a výstupní teplotu,
• požadovanou teplotu na straně odběratele,
• průtoky,
• pracovní tlak,
• povolené tlakové ztráty,
• vlastnosti médií,
• změny zatížení během roku,
• požadovanou redundanci systému.

Teprve z těchto parametrů lze určit vhodnou architekturu přenosu tepla.

A právě zde mají zásadní roli tepelné výměníky.

Výměník jako bezpečné rozhraní mezi datacentrem a energetickou sítí

Primárním požadavkem každého datacentra zůstává provozní bezpečnost.

Systém využití odpadního tepla proto nesmí ohrozit chlazení IT infrastruktury.

Výměník tepla umožňuje hydraulicky oddělit jednotlivé okruhy a současně mezi nimi přenášet požadovaný tepelný výkon.

To je důležité například mezi:

chladicím okruhem datacentra a tepelným čerpadlem,
tepelným čerpadlem a distribuční soustavou,
datacentrem a externím energetickým systémem.

Každé z těchto rozhraní může mít rozdílné teploty, tlaky, průtoky nebo požadavky na médium.

U velkých výkonů je přitom důležité nejen dosažení požadovaného přenosu tepla, ale také minimalizace tlakových ztrát. Vyšší tlaková ztráta znamená vyšší požadovaný čerpací výkon – a tedy další spotřebu elektrické energie.

Účinnost systému proto nevzniká výběrem jedné komponenty. Vzniká správným návrhem celého tepelného a hydraulického řetězce.

Proč jsou zajímavé deskové výměníky

Jedním z řešení pro velké vodní okruhy jsou rozebíratelné deskové výměníky tepla.

Jejich výhodou je vysoká intenzita přenosu tepla při relativně kompaktních rozměrech a možnost pracovat s malými teplotními rozdíly mezi médii.

To je důležité právě při využívání nízkopotenciálního tepla.

Rozebíratelná konstrukce navíc umožňuje kontrolu a čištění teplosměnných ploch a podle konkrétní konstrukce také úpravu konfigurace zařízení při změně provozních podmínek.

V portfoliu HEXONIC lze pro takové vodní aplikace podle konkrétních parametrů systému uvažovat například o rozebíratelných deskových výměnících řady JAG.

Volba technologie však musí vždy vycházet z konkrétního pracovního bodu a požadavků celé soustavy.

Tepelné čerpadlo a výměník řeší dvě různé úlohy

Při diskusi o využití tepla z datacenter bývá hlavní pozornost často věnována tepelnému čerpadlu.

Jeho role je zásadní: umožňuje zvýšit teplotní úroveň nízkopotenciálního tepla na hodnotu využitelnou odběratelem.

Tepelné čerpadlo ale samo o sobě neřeší celý systém.

Mezi zdrojem, tepelným čerpadlem a odběratelem je potřeba energii bezpečně a efektivně přenášet.

Právě zde se ukazuje význam správného návrhu výměníků.

Pokud výměník vyžaduje příliš velký teplotní rozdíl nebo způsobuje vysokou tlakovou ztrátu, může negativně ovlivnit energetickou bilanci celé soustavy.

Optimalizace výměníku proto není pouze otázkou pořizovací ceny zařízení. Může ovlivnit provozní náklady celého systému během jeho životnosti.

PUE už neposkytuje celý obraz

Energetická efektivita datacenter byla dlouhou dobu hodnocena především prostřednictvím ukazatele PUE – Power Usage Effectiveness.

PUE ukazuje, kolik energie datacentrum spotřebuje ve vztahu k energii využité samotným IT zařízením.

Moderní pohled je ale širší.

Vedle PUE se proto objevují například ukazatele WUE – Water Usage Effectiveness a ERF – Energy Reuse Factor.

Právě ERF přidává důležitou otázku:

Kolik energie dokážeme po jejím využití v datacentru využít znovu?

To mění pohled na celkovou efektivitu investice.

Datacentrum s efektivním chlazením, které veškeré teplo vypouští do okolí, a datacentrum, které část této energie dodává dalším odběratelům, mohou mít z pohledu širší energetické bilance velmi rozdílnou hodnotu.

Propojení s dálkovým vytápěním

Významným odběratelem odpadního tepla mohou být sítě dálkového vytápění.

Jejich technologický vývoj využití nízkopotenciálních zdrojů postupně usnadňuje.

Historické systémy dálkového vytápění pracovaly s velmi vysokými teplotami. Moderní sítě 4. generace pracují s výrazně nižšími teplotami, přibližně kolem 60–70 °C, a počítají s integrací různých decentralizovaných zdrojů energie.

Dalším krokem jsou nízkoteplotní sítě 5. generace.

Právě snižování provozních teplot vytváří lepší podmínky pro využívání zdrojů, které byly dříve z energetického hlediska obtížně použitelné.

Mezi ně patří:

průmyslové odpadní teplo, geotermální energie, tepelná čerpadla – a datacentra.

7,6 MW tepla, které už nemusí skončit v atmosféře

Příkladem praktického využití tohoto konceptu je projekt společnosti TIM Enterprise realizovaný ve spolupráci s GETEC Italia v italském Rozzanu.

Systém je při plném provozu navržen pro přibližně 7,6 MW využitelného tepelného výkonu. Z toho přibližně 2,3 MW připadá na teplo zachycené prostřednictvím tepelných čerpadel a 5,3 MW na tepelné využití kogeneračních jednotek.

Teplo má sloužit síti zásobující více než 5 000 domácností.

Podle publikované případové studie může systém současně přispět ke snížení emisí přibližně o 3 500 tun CO₂ ročně.

Projekt je zajímavý ještě z jednoho důvodu: propojuje infrastrukturu datacentra s energetickou infrastrukturou města.

Datacentrum tak přestává fungovat jako izolovaný technologický objekt.

Stává se součástí lokálního energetického systému.

Business case začíná už při návrhu

Technická proveditelnost je pouze jednou částí rozhodování.

Pro investora, provozovatele datacentra nebo energetickou společnost jsou stejně důležité další otázky:

Existuje v blízkosti stabilní odběratel tepla?

Jak velká část produkovaného tepla bude skutečně využitelná během roku?

Jaká teplotní úroveň je požadována na straně odběratele?

Kolik energie bude potřeba pro zvýšení této teploty?

Jaké budou investiční a dlouhodobé provozní náklady?

Lze systém v budoucnu rozšířit při růstu výkonu datacentra?

Právě proto je výhodné řešit využití odpadního tepla už v počáteční fázi projektu.

Pozdější doplnění technologie do existující infrastruktury může být technicky i ekonomicky výrazně složitější.

Od nákladového centra k energetickému aktivu

Rostoucí energetická náročnost datacenter bývá často vnímána především jako problém.

Stejný trend však vytváří příležitost.

Vyšší výpočetní výkon znamená vyšší produkci tepla. Pokud existuje vhodná infrastruktura a odběratel, může se část energie, která byla dříve pouze odváděna do okolí, vrátit zpět do energetického systému.

Provozovatel datacentra tím může získat další rozměr energetické strategie. Pro provozovatele tepelných sítí vzniká nový lokální zdroj. Pro města a průmyslové areály možnost využít energii, která by jinak zůstala nevyužita.

A pro projektanta vzniká nový úkol:

nenavrhovat pouze chlazení datacentra, ale celý energetický tok od serveru až ke konečnému odběrateli.

Každý MW tepla začíná správnými provozními daty

Neexistuje univerzální výměník „pro datacentrum“.

Správné řešení začíná provozními parametry.

HEXONIC navrhuje tepelné výměníky podle konkrétního výkonu, teplotního programu, průtoků, pracovního tlaku, povolených tlakových ztrát a vlastností médií.

Podle konkrétní části systému lze pracovat s deskovými, pájenými nebo trubkovými výměníky a navrhnout zařízení jako součást širšího systému chlazení, tepelného čerpadla nebo distribuce získaného tepla.

Plánujete datacentrum, modernizaci jeho chlazení nebo využití odpadního tepla?

Pošlete nám základní provozní parametry systému. Technický tým HEXONIC může na jejich základě navrhnout vhodné řešení přenosu tepla pro konkrétní aplikaci.

Vložit komentář

Jméno

Email ( email není zveřejněn )

Váš příspěvek   ( Fotky můžete vložit po odeslání příspěvku. )

opiště kód

  Souhlasím se zpracováním osobních údajů v rámci diskuzního fóra   Více informací

Naše služby

• Potravinářství
• HVAC
• Strojní průmysl
• Těžební průmysl
• Petrochemický průmysl
• Farmaceutický průmysl
• Energetický průmysl
• VIK
• Bazénářství