Резервуарное хранение холода: новый стандарт охлаждения дата-центров

Глобальное потребление электроэнергии дата-центрами неуклонно растет, чему способствуют развитие искусственного интеллекта, облачных платформ и объемы обрабатываемых данных. Значительную долю в энергопотреблении занимают серверы, но системы охлаждения идут следом, представляя собой вторую по величине статью расходов. Новое исследование от Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) предлагает инновационное решение для снижения пиковых нагрузок на электросеть.

Техно-экономический анализ, опубликованный в журнале Applied Energy, демонстрирует новый подход к охлаждению дата-центров, который обещает быть более эффективным и экономически выгодным. Система, получившая название резервуарное хранение тепловой энергии (RTES), основана на подземном аккумулировании холода и его последующем использовании для охлаждения объектов в периоды максимального спроса.

Что такое RTES?

RTES эффективно использует холодный наружный воздух и недорогую электроэнергию в непиковые часы для накопления холода. Когда температура воздуха снижается (например, зимой или ночью), система с помощью специального оборудования, такого как сухие градирни или чиллеры, охлаждает воду и закачивает ее под землю. Затем, в жаркую погоду, этот запас холодной воды подается обратно на поверхность и проходит через теплообменник, где поглощает тепло от возвращаемой горячей воды дата-центра, обеспечивая прямое охлаждение. Отработанная вода, ставшая теплой, направляется обратно под землю в отдельную емкость («горячую скважину»). Она не охлаждается немедленно, а остается теплой до следующего цикла зарядки, когда вновь будет доступен холодный воздух и низкие тарифы на электроэнергию для восстановления холодоемкости резервуара. Этот непрерывный цикл поддерживает баланс системы, обеспечивает надежное охлаждение, минимизирует затраты на электроэнергию и снижает нагрузку на энергосеть.

Скважины для RTES обычно бурятся на глубину до километра, достигая подземных вод. Естественно замкнутые водоносные горизонты, будь то солоноватые или соленые воды, идеально подходят для долговременного хранения тепловой энергии благодаря своей медленной циркуляции и химической стабильности.

Сценарии исследования

В рамках исследования были смоделированы два сценария охлаждения дата-центров с использованием RTES, с четырьмя скважинами глубиной 275 метров, и оценены их характеристики в течение 20-летнего периода. Моделирование включало сезонный цикл: отдача холодной энергии летом и пополнение резервуара холодной водой зимой. Оба сценария использовали сухие градирни, которые обеспечивают «бесплатное охлаждение» путем обдува теплообменника воздухом с помощью вентиляторов, исключая энергозатратные компрессорные или холодильные циклы. В отличие от градирен, сухие градирни не потребляют воду на месте. Один из сценариев также предусматривал систему рекуперации тепла, которая использовала тепловые отходы дата-центра для отопления помещений зимой.

Эффективность этих RTES-сценариев сравнивалась с третьим, контрольным сценарием, использующим традиционную систему охлаждения без RTES: комбинацию сухих градирен и чиллеров с парокомпрессионным циклом. Хотя чиллеры обычно эффективны, их производительность снижается летом, когда компрессорам приходится работать интенсивнее для поддержания прохлады в условиях более высоких наружных температур, что приводит к увеличению потребления электроэнергии. RTES же решает эту проблему, полагаясь на накопленный под землей холод, что делает его работу гораздо менее зависимой от наружной температуры.

Ключевой вывод исследования: благодаря исключению энергоемких циклов охлаждения, RTES оказался почти в семь раз эффективнее традиционных чиллеров в пиковые летние периоды. Коэффициент производительности составил 16,5 по сравнению с 2,4 у чиллеров. «Потребление электроэнергии традиционными системами охлаждения значительно, особенно летом, тогда как система RTES существенно снижает энергопотребление, предлагая инновационный и улучшенный метод охлаждения дата-центров», — отметил Хьюнджун О, инженер-геотермалист из NREL и ведущий автор исследования. Для дата-центров с непрерывным циклом охлаждения это означает снижение коммунальных платежей при сохранении надежной круглосуточной работы.

Анализ показал, что приведенная стоимость охлаждения, метрика, измеряющая общую стоимость производства и доставки холода за весь срок службы системы, снизилась с $15 за мегаватт-час (МВт·ч) при использовании чиллеров до всего $5/МВт·ч с RTES. Исследование убедительно продемонстрировало, что система RTES способна надежно охлаждать дата-центр на протяжении 20 лет, подчеркивая потенциал геотермальных систем не только для отопления, но и для охлаждения.

Общая картина

Проект был сфокусирован на высокопроизводительном вычислительном центре мощностью 5 мегаватт (МВт) в Колорадо, а также на объекте для майнинга криптовалют мощностью 30 МВт в Техасе и гиперскейле дата-центре мощностью 70 МВт в Вирджинии. В техническом отчете анализируются все три объекта, включая экономию воды. Хотя исследование не моделировало тарифы на электроэнергию в зависимости от времени суток или региональные условия энергосети, продолжающиеся исследования NREL в рамках проекта Cold Underground Thermal Energy Storage (Cold UTES) развивают эти выводы. В совокупности эти проекты демонстрируют, насколько RTES может сократить потребление электроэнергии, затраты и даже спрос на воду.

Дальнейшие исследования как в NREL, так и за ее пределами изучают, как RTES может еще полнее использовать преимущества низкотарифной электроэнергии в непиковые часы для работы традиционного холодильного оборудования с высокой эффективностью и для хранения больших объемов холодной тепловой энергии под землей на длительные сроки. Команда NREL также сотрудничает с исследователями из Чикагского университета, Принстонского университета и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли для изучения RTES в сравнении с другими водосодержащими системами хранения, такими как подземное и скважинное тепловое хранение. Эти усилия помогут лучше понять, какие системы наиболее подходят для различных региональных геологических условий.

*Признаны экстремистскими организациями и запрещены на территории РФ.