Холод для охлаждения дата-центров выгоднее хранить под землей
Бурное развитие искусственного интеллекта, облачных платформ и рост объемов обработки данных ведет к неуклонному увеличению энергопотребления дата-центров. Больше всего потребляют серверы, и с этим ничего не поделаешь, а на втором месте — системы охлаждения. Тут предлагаются различные решения, например размещение дата-центров в море и даже в космосе.
Еще один путь — аккумулирование тепловой энергии в водоносном пласте (Reservoir Thermal Energy Storage — RTES) — предполагает подземное хранение холода с последующим его использованием для охлаждения объектов в периоды пикового спроса на энергию.
Как это работает
Для аккумуляции энергии RTES использует холодный наружный воздух и недорогую электроэнергию. При снижении температуры — зимой или ночью — воду остужают в сухих охладителях и закачивают под землю. В жару эта холодная вода выкачивается обратно и проходит через теплообменник, где обеспечивает прямое охлаждение, отбирая тепло у обратного потока жидкости из дата-центра.
Нагретая вода снова отправляется под землю, но уже в другую, специально предназначенную «горячую» скважину. Ее не охлаждают сразу, а оставляют теплой до следующего цикла подзарядки, когда вновь становится холодно на улице и снижаются тарифы, для восполнения запасов холода в пласте. Этот непрерывный цикл поддерживает баланс системы и обеспечивает надежное охлаждение, одновременно снижая энергозатраты и разгружая сеть.
Скважины RTES бурят на глубину около километра или меньше — достаточно, чтобы достичь подземных вод, — хотя фактическая глубина зависит от местной геологии. Солоноватые или соленые водоносные горизонты, в которые ведут скважины, естественным образом изолированы окружающими горными породами, что делает их идеальными для долгосрочного аккумулирования тепловой энергии благодаря медленному водообмену и химической стабильности.
Два сценария
Специалисты Национальной лаборатории Скалистых гор, ранее известной как Национальная лаборатория по изучению возобновляемой энергии (NREL), провели технико-экономический анализ методики, результаты которого опубликовали в Applied Energy.
Авторы составили два сценария охлаждения на базе RTES с использованием четырех скважин глубиной 275 метров, и смоделировали их эффективность в обслуживании дата-центра на протяжении 20 лет. За основу для расчетов был взят сезонный цикл: отбор холодной энергии летом и пополнение запасов холодной водой зимой.
В обоих сценариях использовались сухие охладители, обеспечивающие «свободное охлаждение» за счет продувки воздуха через теплообменник механическими вентиляторами — без энергоемких компрессоров или холодильных циклов, что снижает потребление электричества. В отличие от градирен, сухие охладители не расходуют воду на объекте. Один из двух сценариев дополнительно включал систему рекуперации тепла, утилизирующую сбросное тепло дата-центра для отопления здания зимой.
Оба сценария с RTES сравнили с третьим, контрольным: традиционной системой охлаждения, использующей сухие охладители в паре с парокомпрессионными чиллерами. Хотя чиллеры в целом эффективны, летом их производительность падает, так как компрессорам приходится работать интенсивнее, чтобы поддерживать низкую температуру в условиях жары, что резко увеличивает расход электроэнергии.
У RTES такой проблемы нет, потому что она полагается на запасенную под землей холодную воду. В результате производительность такой системы гораздо меньше зависит от температуры наружного воздуха.
Благодаря отказу от энергоемких холодильных циклов, RTES оказалась почти в семь раз эффективнее традиционных чиллеров в пик летнего сезона: ее коэффициент энергоэффективности (COP) составил 16,5 против 2,4 у чиллеров.
«Потребление электроэнергии традиционными системами охлаждения значительно, особенно летом, тогда как RTES существенно снижает этот показатель, предлагая инновационный и усовершенствованный метод охлаждения дата-центров», — пояснил инженер-геотермист NREL Хёнджун О, ведущий автор исследования.
Для дата-центров с непрерывной потребностью в охлаждении это означает снижение эксплуатационных расходов при сохранении надежной круглосуточной работы.
Три объекта
Подсчитали и экономию. Приведенная стоимость охлаждения — показатель, измеряющий совокупную стоимость производства и подачи холода, распределенную на весь срок службы системы, — сократилась с 15 долларов за мегаватт-час при использовании чиллеров до всего 5 долларов/МВт·ч.
По данным исследователей, RTES способна надежно охлаждать дата-центр в течение 20 лет — то есть приведенная выше цифра означает снижение операционных расходов на охлаждение на 70–80% в год.
Для расчетов авторы брали дата-центр высокопроизводительных вычислений в Колорадо с тепловой нагрузкой 5 МВт. Более масштабный проект, частью которого стало это исследование, включает также криптовалютную майнинговую ферму мощностью 30 МВт в Техасе и гипермасштабный дата-центр на 70 МВт в Вирджинии.
