Рекуперація теплової енергії при роботі центрів обробки даних

Залишити коментар / Макроекономіка / Від

Амоша О.І., академік НАН України

Череватський Д.Ю., д.е.н., ст. наук. співр. (Інститут економіки промисловості НАН України)

Вольчин І.А., д.т.н., проф. (Інститут теплоенергетичних технологій НАН України)

Мишанов А.Ю. (Шнейдер Електрик Україна)

Центри обробки даних (data center, ЦОД) на базі комп’ютерів високої продуктивності, оснащених пристроями введення-виведення інформації, є комплексними централізованими системами забезпечення безперервності економіко-соціальної діяльності.

Станом на початок 2024 р. у світі існує близько 8000 центрів обробки даних. Їх кількість відповідає сучасному глобальному попиту на обробку та зберігання даних, виконання хмарних обчислень, використання технологій штучного інтелекту.

Сполучені Штати із 5381 об’єктом лідирують за кількістю ЦОД, їм належить 51% потужностей глобальних центрів обробки даних, зокрема гіпермасштабовані центри компаній Amazon, Microsoft і Google. Слідом йдуть Німеччина, Велика Британія, Китай і Канада. Кількість гіпермасштабних центрів обробки даних з часом стрімко збільшується і вже перевищила 1000 одиниць.

У Києві існує близько десяти дата-центрів, які розрізняються за рівнями складності та надійності. Серед найбільш потужних місцевих провайдерів послуг ЦОД знаходяться компанії GigaCloud та De Novo, які відіграють ключову роль у підтримці цифрової економіки міста.

Надійність роботи ЦОД вельми залежить від забезпечення нормального температурного режиму експлуатації системи – робота дата-центру в штатному режимі супроводжується активним утворенням теплової енергії, тому поточний керований даними бізнес (страхова компанія, роздрібна торгівля або банківська справа зі штатом 100 працівників) протягом року генерує обсяг цифрових матеріалів, зберігання яких в дата-центрі обумовлює footprint (вуглецевий слід), як шість авіаційних перельотів з Лондону до Нью-Йорку [1].

ЦОД із комплектацією 20 стойок серверів має проєктну потужність ІТ навантаження 200 кВт (10 кВт на одну стойку) і систем кондиціонування – близько 80 кВт (0,4 кВт на 1 кВт потужності серверів): співвідношення 71% і 29%. Отже, майже третину підведеної електроенергії ЦОД витрачає на функції, що не пов’язані з його основним призначенням – на підтримку нормальних режимів експлуатації, точніше, на охолодження робочої атмосфери приміщень. Ситуація набагато (кратно) ускладняється через вимоги забезпечення резервування систем. Четвертим рівнем стандарту Tier [2, 3] Uptime Institute передбачена стійка до відмов інфраструктура. Американський стандарт TIA-942, запропонований у 2005 р., також ґрунтується на положеннях стандарту Uptime Institute.

Кондиціонування (охолодження) приміщення ЦОД здійснюється за допомогою системи чиллер-фанкойл. Чиллер є пристроєм для охолодження рідкого теплоносія (води, незамерзаючої рідини та ін.) і подавання його за допомогою насосної станції (гідромодуля) трубопроводами до теплообмінників (фанкойлів). Фанкойли (фен-койл, вентиляторний конвектор), встановлені поруч із стойками, охолоджують повітря серверного приміщення, виконують функції підтримки оптимальної температури робочої середи центрів обробки даних.

Сучасна система кондиціонування суттєво ускладнює інфраструктуру ЦОД і потребує великих додаткових витрат електричної енергії. Але вже з’явилися технології, які здатні перетворювати теплову енергію на електрику – кріогенні електрогенератори. Вибір робочої речовини залежить від температури процесу: у диапазоні від 0 до +1000С оптимальним є фреон R134a; при температурах від «мінус» 1500C до +300С – рідкий азот (LN2) [4].

Так, у 2011 р. на розташованій в англійському місті Слау (Slough) електростанції Scottish&Southern Energy (SSE) фірмою Highview Power Storage було запущено в експлуатацію перший у світі енергоблок на рідкому повітрі потужністю 350 кВт, який в режимі енергосховища видавав 5 МВт·год електричної енергії [5, 6].

Нагріте рідке повітря при поверненні в газовий стан розширюється в 700 разів, що дає йому змогу обертати з’єднану з електрогенератором турбіну. На електростанції SSE, де основна кількість електроенергії виробляється в результаті спалювання деревних відходів, агентом регазифікації повітря виступила відпрацьована пара. Рекуперація теплової енергії в циклі прогріву випарників забезпечила ККД системи близько 70%.

Фірма Highview Power Storage реалізувала проєкт у повному наборі, який є притаманним комплектації кріогенного енергосховища (LAES – Liquid Air Energy Storage або за іншою абревіатурою CES – кріогенне енергосховище): повітрозріджувальна установка, що переробляє атмосферне повітря на рідину світло-сірого кольору температурою «мінус» 196оС, два стандартні 10-тонні кріогенні термоси конструкції Дьюара, в яких ця рідина тижнями може перебувати при атмосферному тиску, і кінцевий каскад у комплексі регазифікатор-турбіна-генератор. Проте рідке повітря споживачам може постачатися за схемою так званої віртуальної труби, тими же автоцистернами, тобто без застосування на місці обладнання зі зріджування повітря. За оцінками експертів експлуатація станції, що складається зі стандартної 10-тонної ємності й турбогенератора, які можна узяти в оренду, обійдеться операторам дешевше за дизельну установку.

Зараз фірма Highview Power успішно реалізує декілька проєктів енергетичних сховищ різної потужності і енергоємності [7]. Нагріте в результаті експлуатації серверів повітря, що підлягає охолодженню, також може виступати агентом регазифікації рідкого повітря і бути задіяно в процесі вироблення електроенергії. Саме тому сучасна теорія розвитку ЦОД, за участю переважно китайських науковців, передбачає поєднання центрів обробки даних із LAES [8, 9]. Німецька фірма MAN Energy Solutions [10], яку англійська компанія Highview Power вибрала партнером з реалізації найбільшого за сучасними мірками проєкту енергетичного сховища на рідкому повітрі – CRYOBattery™, потужністю 50 МВт і енергетичною ємністю 250 МВт-год [11], також виходить із перспективною концепцією повнопрофільного (із установками зрідження повітря) кріогенного енергосховища для дата-центрів.

За даними вітчизняних фахівців із кріоенергетики капітальні витрати на будівництво електростанцій на рідкому азоті становитимуть близько 1000 євро/кВт встановленої потужності, що набагато менше енергоустановок з водневим акумулюванням. Зберігання 1 МВт.год енергії у кріогенних накопичувачах коштуватиме 110 фунтів стерлінгів (майже 140 дол. США), що у 2,5 рази дешевше, ніж у літій-іонному акумуляторі (283 фунти стерлінгів або 302 дол. США) [12].

Проте установка виготовлення рідкого повітря безпосередньо на об’єкті обробки даних також є потужним споживачем електроенергії (виготовлення 1 кг LN2 потребує від 0,4 до 1,0 кВт.год) і додатковим джерелом теплової енергії, її наявність у складі комплексу призводить не тільки до збільшення потрібних капітальних вкладень і експлуатаційних витрат, а й до суттєвого технологічного ускладнення системи в цілому.

Що потрібно зробити для того, щоб збільшити надійність функціонування центрів обробки даних та їх економічну й екологічну ефективність за рахунок зменшення витрат енергетичних ресурсів?

Можливо, є сенс звернутися до забезпечення кріогенних установок, які дають можливість перетворення побічної теплової енергії, що продукується серверами, на електричну енергію, за схемою віртуальної труби: рідке повітря (азот) має поставлятися на ЦОД від зовнішніх джерел.

Генерація теплової енергії серверним господарством ЦОД протягом доби перебільшено становить 1900 кВт.год або 6840 МДж. Автори виходять з того, що рідкий азот при випаровуванні з температури мінус 1960С до температури навколишнього середовища 200С здійснює роботу 770 кДж/кг [12]. При ККД системи 70% цей показник має бути прийнятим 539 кДж/кг. За розрахунками, щоб переробити таку кількість теплової енергії за допомогою випаровування LN2, потрібно понад 12 т (12690 кг) рідкого азоту. За оптовою ціною 15000 грн/т [13] денні витрати на функціонування віртуальної труби можуть скласти понад 190 тис. грн. Якщо не буде набагато дешевшого рідкого азоту економічна раціональність такої схеми є вельми сумнівною. Але є сенс прийняти до уваги, що, наприклад, середньої потужності металургійний завод переробляє розподільними установками майже 3 тис. т повітря на добу, переважно для отримання кисню, азот же є побіжною речовиною і ціна на нього може бути відносно невеликою. До того ж, автори не претендують на висловлення істини у кінцевій інстанції і наполягають на верифікації висновків досвідченими фахівцями з кріогенних технологій.

Проте суть інновації – заміна системи чіллерів, які діють на електричній енергії, апаратами на рідкому повітрі (рідкому азоті), щоб у процесі регазифікації зазначеної речовини виконувати як кондиціонування, так і генерацією електрики, залишається незмінною. У разі недоцільності реалізації схеми віртуальної труби потрібно звернутися до варіанту розміщення LAES безпосередньо на об’єкті обробки цифрових даних.

Доведення ефективності новітнього ЦОД в Україні потребує розробки силами вітчизняних фахівців пілотного проєкту кріогенної регазіфікаційно-генеруючої системи.

Концепцію апробовано в ході ХХ Міжнародної науково-практичної конференції «Теплова енергетика: шляхи реновації та розвитку» (9-10 жовтня 2024 р., м. Київ) [14].

Перелік посилань:

  1. Jackson, T. W., & Hodgkinson, I. R. (2022). Keeping a lower profile: how firms can reduce their digital carbon footprints. Journal of Business Strategy, (ahead-of-print). URL: https://www.emerald.com/insight/content/doi/10.1108/JBS-03-2022-0048/full/pdf?title=keeping-a-lower-profile-how-firms-can-reduce-their-digital-carbon-footprints.
  2. Tier Certification Overview. URL: https://uptimeinstitute.com/tier-certification
  3. Инфраструктура ЦОД Tier Standard: Topology. URL: https://dalgakiran.ua/sites/default/files/dalga_infra.pdf.
  4. Минько М.А., Багирян А.А., Шепель В.М., Функ В.А. (2024). Криогенная электрогенерирующая установка. Описание к патенту RU2818432C1. Заявка: 2022129243, 10.11.2022. Дата начала отсчета срока действия патента: 10.11.2022. Дата регистрации: 02.05.2024. URL: https://patenton.ru/patent/RU2818432C1.pdf

Loading

Залишити коментар

Увійти
Увійти