Повторное использование тепла ЦОДов

Тепло – побочный продукт работы ЦОДов, и его эффективное удаление в большинстве климатических условий требует дополнительной энергии и часто большого количества воды. Однако если тепло можно использовать повторно, оно становится ценным продуктом для целого ряда промышленных, сельскохозяйственных, коммерческих и жилых объектов. До 90% энергии, потребляемой ЦОДами, можно повторно использовать в виде тепла, что способно обеспечить тысячи мегаватт тепловой энергии по всему миру.

Идея выглядит привлекательно. Однако термодинамика и экономика усложняют обоснование соответствующих бизнес-проектов. Повторное использование (рекуперация) тепла ЦОДов требует дополнительных инженерных изысканий и значительных первоначальных вложений для приобретения и установки оборудования, необходимого для передачи тепла клиентам. Низкотемпературному теплу, обычно вырабатываемому ЦОДами, часто нелегко найти применение, а во многих климатических условиях оно вообще не имеет смысла.

Тем не менее число проектов рекуперации тепла ЦОДов растет, особенно в Северной Европе, где системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) более распространены. По данным сообщества Open Compute Project, в настоящее время существует около 60 таких проектов в Европе и шесть в Северной Америке. Еще 11 проектов находятся в разработке или в стадии строительства. Если учесть размер мирового рынка ЦОДов, эти цифры кажутся небольшими, но они помогают лучше понять технические и экономические особенности схем повторного использования тепла.

Рекуперация отводимого тепла ЦОДов поможет снизить потребление первичной энергии для отопления промышленных, коммерческих или жилых зданий, в которых часто устанавливаются газовые обогреватели или бойлеры. Это предотвращает выбросы парниковых газов. В терминологии организации World Resources Institute такие выбросы относятся к категории 4 (Scope 4). Некоторые компании уже включают их в свою отчетность по ESG.

ЦОДы используют значительное количество энергии для охлаждения, часто 20–30% общей потребляемой мощности. Рекуперация тепла может существенно снизить затраты энергии на охлаждение за счет поглощения тепла без необходимости механического охлаждения или других методов его отвода.

Следовательно, расходы на эксплуатацию оборудования для охлаждения ЦОДов могут быть снижены за счет рекуперации тепла. Однако этого нельзя сказать о капитальных затратах на охлаждающее оборудование. Объекту по-прежнему будут необходимы мощности для отвода тепла на случай, если с транспортировкой тепла возникнут проблемы вне зоны контроля оператора ЦОДа.

Даже если система теплообменников и труб создана с резервированием (или хотя бы допускает параллельное обслуживание), нельзя гарантировать, что клиенты всегда будут готовы потреблять рекуперированное тепло. Периоды низкого потребительского спроса, технического обслуживания и простоев в работе могут поставить под угрозу надежность схемы рекуперации тепла для его отвода от оборудования ЦОДа. Иногда централизованные теплосети имеют системное резервирование, но, как правило, схема повторного использования тепла не обеспечивает достаточной устойчивости для критически важных приложений.

Количественно оценить коммерческую ценность использования отводимого тепла сложно, поскольку как тепловая мощность ЦОДа, так и цена на теплоноситель, поставляемый потребителю, изменчивы – спрос часто зависит от сезона. Некоторые проблемы, связанные с сезонностью, можно нивелировать, если потратиться на системы накопления тепловой энергии. Во многих случаях ЦОДы предлагают отводимое тепло бесплатно, а не в качестве коммерческой услуги. Хотя прибыль от рекуперации тепла получить все же можно, большинство подобных проектов сегодня направлены на уменьшение негативного воздействия ЦОДа на окружающую среду – и получение связанных с этим выгод в плане инвестиций, маркетинга и общественного имиджа.

Тепло, выделяемое промышленным оборудованием, используется по-разному (см. таблицу). Сегодня наиболее популярна его подача в системы централизованного теплоснабжения. Несколько операторов СЦТ разработали бизнес-модели, которые предполагают закупку тепла, отводимого ЦОДами. Большинство из них действуют в Северной Европе, где климат стимулирует спрос на отопление жилых и коммерческих помещений. Там эти проекты имеют больший экономический смысл, а кроме того, устойчивое развитие важно как для бизнеса, так и для политиков. 

 

Мировой лидер в области крупномасштабной утилизации тепла ЦОДов – Стокгольм, где к сетям централизованного теплоснабжения подключено 30 объектов. В Дании около 60% домов подключены к СЦТ, что делает реализацию проектов повторного использования тепла относительно простой. Финляндия – еще одна страна с разветвленными сетями централизованного теплоснабжения и растущим рынком утилизируемого тепла. Значительная часть этого рынка принадлежит местному энергетическому гиганту Fortum, который закупает тепло по меньшей мере у трех ЦОДов. В 2022 г. Fortum анонсировал крупнейший в мире проект рекуперации тепла ЦОДов, который предполагает использование тепла, вырабатываемого облачными дата-центрами Microsoft в Эспоо и Киркконумми. Ожидается, что после полного оснащения эти объекты будут обеспечивать 40% всего объема отопления для примерно 250 тыс. жителей региона.

В Северной Америке СЦТ менее распространены, но они часто используются, например, в институтских кампусах или в правительственных комплексах. Хотя это открывает возможности для партнерства с государственным сектором, большинство проектов утилизации тепла ЦОДов в США и Канаде относятся к сельскому хозяйству.

Чем выше температура теплоносителя, тем передаваемое им тепло ценнее и универсальнее. Использование в качестве теплоносителя воды вместо воздуха открывает гораздо больше возможностей для применения. В ЦОДе с воздушным охлаждением для «забора» тепла часто требуется его передача от воздуха – через теплообменник – в воду (рис. 1).

 

Жидкостное охлаждение ИТ-оборудования, при котором используется вода более высокой температуры (например, 32°C в отличие от 20°C в чиллерных системах), делает рекуперацию тепла более эффективной. Кроме того, устраняется необходимость в теплообмене между воздухом и жидкостью, при котором часть энергии теряется.

Если требуется более горячая вода, тепло можно концентрировать с помощью водяных тепловых насосов. Для линии подачи СЦТ нужна вода с температурой не ниже 65°C, когда на улице выше 0°C. При более низких наружных температурах, например, при -18°C, температура подачи должна быть выше, вплоть до 100°C.

Не всегда нужна именно горячая вода, даже для систем централизованного теплоснабжения. Например, низкотемпературное тепло может использоваться на обратном участке СЦТ, когда теплая вода возвращается в теплостанцию после отопления помещений. Это позволит тратить меньше энергии на доведение воды до требуемой температуры, перед тем как она будет снова подана потребителям. Если же потребитель находится в непосредственной близости, ЦОДы могут подавать теплую воду или горячий воздух, например, для обогрева офисов в том же здании или склада для сушки сельскохозяйственной продукции.

Тепловой насос – это устройство для концентрирования тепловой энергии. Он может преобразовывать низкотемпературное (0–25°C) тепло в высокотемпературное (60–90°C). Многоступенчатый тепловой насос способен повысить температуру воды до 150°C и более. Хотя его работа требует энергии, он может передавать тепла в три-шесть раз больше, чем потребляет электроэнергии. Углеродный след тепловых насосов зависит от того, как вырабатывается потребляемая ими электроэнергия.

Промышленные тепловые насосы, используемые для рекуперации тепла в ЦОДах, стоят дорого – как правило, дороже, чем комплексная система охлаждения. Часть таких расходов может быть компенсирована за счет государственных субсидий; в настоящее время более 30 стран предлагают финансовые стимулы организациям, которые внедряют тепловые насосы. В некоторых проектах утилизации отводимого тепла установка и эксплуатация тепловых насосов – обязанность организации, потребляющей тепло (например, оператора СЦТ), а не владельца ЦОДа. В таких случаях тепло обычно предоставляется бесплатно.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2022 г. мировые продажи тепловых насосов выросли на 11%. МЭА заявило, что за активным внедрением этого оборудования стоят возросшие цены на природный газ и усилия по сокращению выбросов парниковых газов.

Правительства во всем мире проявляют все больший интерес к схемам рекуперации тепла. Некоторые государства – члены ЕС, а также сам ЕС активно прорабатывают законодательство, предусматривающее повторное использование тепла при строительстве новых ЦОДов. 

Новым законодательным инструментом, который, вероятно, окажет наибольшее влияние в этой сфере, является переработанная Директива по энергоэффективности (Energy Efficiency Directive, EED). Пункт 3а ст. 24 этой директивы требует, чтобы государства – члены ЕС обеспечили рекуперацию отводимого тепла ЦОДами с ИТ-мощностью 1 МВт и выше. Или же ЦОДы должны показать, что такая рекуперация технически или экономически невозможна. Операторам ЦОДов в ЕС придется как минимум проанализировать затраты и выгоды от рекуперации тепла для любого нового объекта. Если оператор решит не устанавливать систему рекуперации, государство должно будет провести аудит технико-экономического обоснования оператора, чтобы подтвердить его заключение.

Операторы ЦОДов, участвующие в схемах рекуперации тепла, будут обязаны раскрывать информацию о соответствующих проектах в рамках регулярных отчетов EED об устойчивом развитии. Для этого предполагается использовать относительно новый показатель – коэффициент повторного использования энергии (Energy Reuse Factor, ERF), который определен европейским стандартом EN 50600-4-6 (Информационные технологии: оборудование и инфраструктура центров обработки данных). ERF помогает оценить, насколько уменьшаются выбросы углекислого газа, возникающие в результате потребления энергии ЦОДом.

Некоторые европейские государства наряду с EED реализуют собственные инициативы:

Отраслевые организации также обращают все больше внимания на утилизацию отводимого тепла. Пакт о климатически нейтральных ЦОДах (Climate Neutral Data Centre Pact) – европейская инициатива по саморегулированию – назвал утилизацию тепла одним из своих пяти приоритетов. Для выработки наилучших практик утилизации и изучения препятствий на пути их внедрения планируется создать специальную рабочую группу. Более 100 организаций, подписавших пакт, согласились изучить потенциал рекуперации тепла и выяснить, насколько это практично, экологически обоснованно и экономически эффективно для внедрения на их объектах.

Европейский кодекс энергоэффективности ЦОДов (European Code of Conduct for Energy Efficiency in Data Centres) – еще одна добровольная инициатива, которая требует от участников учитывать потенциал рекуперации отводимого тепла. На данный момент к этой системе присоединились более 120 организаций, занимающихся ЦОДами.

Отраслевое сообщество Open Compute Project (OCP) публикует серию материалов в поддержку повторного использования тепла. В дополнение к популяризации передовых практик OCP планирует внедрить платформу поиска партнеров, которая соединила бы операторов ЦОДов с потребителями тепла. В Германии на создание аналогичной платформы нацелен спонсируемый государством проект Bytes2Heat. Проект поддерживается многочисленными академическими организациями, поставщиками промышленного оборудования и коммунальными службами E.ON и Engie.

Большинство проектов по рекуперации тепла ЦОДов основаны на использовании СЦТ в качестве потребителей тепла. Эта модель может получить более широкое распространение благодаря растущей поддержке централизованного теплоснабжения, которое считается экологичнее локальных котельных и относительно рентабельным. Например, правительство Великобритании инвестирует 320 млн ф. ст. в районные и коммунальные тепловые сети в рамках своих усилий по декарбонизации систем отопления и охлаждения. По оценкам, к 2050 г. такие сети могли бы удовлетворять до 20% общей потребности страны в отоплении по сравнению с 2% сегодня.

Системы централизованного теплоснабжения берут свое начало от отапливаемых бань и теплиц Римской империи. Современные СЦТ обычно подразделяют на пять поколений, причем последние значительно упрощают внедрение систем рекуперации.

СЦТ третьего поколения используются с 1980-х гг. и сегодня наиболее распространены. Ключевое отличие от предыдущих поколений заключается в более низкой температуре воды в сети, что стало возможным во многом благодаря использованию предсобранных на производстве труб, изолированных пенополиуретаном.

СЦТ четвертого поколения нацелены на дальнейшее снижение температуры теплоносителя до 30–70°C. Сети пятого поколения, которых в мире всего несколько, работают исключительно на электричестве и отходящем тепле промышленного оборудования. При этом требуемая температура воды составляет 10–30°C. Снижение температуры создает больше возможностей для использования отводимого тепла, включая тепло ЦОДов. Понятно, что СЦТ четвертого и пятого поколений подходят для этих целей лучше всего.

Плотность мощности ИТ-оборудования со временем увеличивается. Серверы, оснащенные процессорами последнего поколения и различными ускорителями, такими как GPU, выделяют все больше тепла. Это делает ЦОДы еще более привлекательными в качестве источника тепла.

Согласно исследованию Global Data Center Survey 2023, проведенному Uptime Institute, хотя ИТ-стойки мощностью 4–6 кВт по-прежнему наиболее распространены, на объектах каждого пятого оператора ЦОДов стандартом становятся стойки, потребляющие 10 кВт и более. Более 70% респондентов заявили, что за последние три года мощность их стоек увеличилась (рис. 2).

 

Дальнейшее увеличение мощности стоек, безусловно, повысит выделение тепла ЦОДами, а прямое жидкостное охлаждение (DLC) ИТ-оборудования может привести к существенному изменению ценности тепла. Благодаря своей хорошей теплопроводности вода и другие жидкости способны обеспечивать достаточное охлаждение ИТ-электроники при значительно более высоких температурах по сравнению с воздухом.

Организация ASHRAE рекомендует операторам ЦОДов поддерживать температуру подаваемого воздуха ниже 27°C. Это ограничивает максимальное количество тепла, которое ЦОД может экспортировать без применения тепловых насосов. Большинство операторов придерживаются более консервативных уставок, что снижает температуру отводимого тепла. Однако некоторые охлаждающие жидкости можно использовать при температуре 40°C, что позволит приблизить температуру на выходе к 50°C. В этом случае потребность в тепловых насосах может отпасть.

Согласно исследованию Direct Liquid Cooling Survey 2022, также проведенному Uptime Institute, примерно каждый шестой оператор ЦОДов уже использует на своих объектах ту или иную форму жидкостного охлаждения (рис. 3). Почти каждый пятый респондент ожидает, что более половины его серверных стоек будут оснащены какой-либо технологией жидкостного охлаждения в течение следующих трех-пяти лет.

 

Способность систем с жидкостным охлаждением обеспечивать уровень температуры, необходимый для систем отопления, без использования тепловых насосов была подтверждена в ходе испытаний в институте RISE в Швеции. Хотя исследовательская группа выяснила, что стоимость жидкостного охлаждения обычно выше, чем воздушного, продажа отводимого тепла позволит окупить дополнительные затраты в течение нескольких лет.

Для проектов рекуперации тепла лучше всего подходят высокопроизводительные комплексы с рабочими нагрузками, которые нечувствительны к задержкам, поскольку их можно разместить в местах, где есть СЦТ и дешевое электричество, что позволит экономить на использовании тепловых насосов. Такими рабочими нагрузками являются, например, 3D-рендеринг и моделирование сложных систем.

Как уже говорилось, проекты рекуперации отработанного тепла часто требуют крупных первоначальных инвестиций в тепловые насосы и дополнительные изолированные трубопроводы на объекте. Изолированные трубопроводы также нужны для подсоединения теплопередающей станции, которая может включать один или несколько тепловых насосов, к заказчику. Стоимость проекта зависит от расстояния до клиента и может быть значительной.

Из-за большого объема работ оснащение уже действующих ЦОДов оборудованием для рекуперации отводимого тепла может занять много времени, в отличие от тех случаев, когда такое оборудование проектируется как часть нового объекта. Модернизация может занять два-три года с момента первоначального планирования до того момента, когда объект будет готов к экспорту тепла.

Еще один важный фактор в жизнеспособности проекта рекуперации отводимого тепла – цена, которую клиент готов заплатить за него. Правда, тепло не всегда предоставляется в качестве коммерческой услуги. Для СЦТ модель ценообразования часто зависит от спроса на энергию в сети – низкий спрос означает низкую цену, а когда спрос высок, то и цена высока.

В настоящее время нет общепринятых, хорошо зарекомендовавших себя механизмов для коммерческого использования отходящего тепла многими различными потребителями. Эту проблему можно решить с помощью партнерских платформ, которые связывают производителей тепла с его потребителями. Повышение цен на энергоносители, вероятно, сделает проекты утилизации отходящего тепла более конкурентоспособными и экономически привлекательными.

Рекуперация отработанного тепла ЦОДов находится в развитии. Пока оно привлекательно в основном в отдельных регионах с определенным климатом, историей и политикой. Рекуперация тепла вводит ряд новых приоритетов при выборе площадки, наиболее важный из которых – наличие поблизости потенциальных потребителей.

На энергоэффективность ЦОДа рекуперация отводимого тепла обычно оказывает нейтральное или даже отрицательное влияние, поскольку работа тепловых насосов может увеличить общее энергопотребление. Однако при рассмотрении более крупных систем, таких как городские районы, эти схемы обеспечивают снижение общего потребления энергии и выбросов парниковых газов.

Экологические приоритеты ставят рекуперацию отходящего тепла в центр внимания правительств и регулирующих органов, особенно в Европе. Более быстрого прогресса можно добиться, если поощрять повторное использование тепла так же, как проекты в области устойчивого развития и возобновляемых источников энергии.

Достижения в области СЦТ, позволяющие использовать низкотемпературное тепло, рост плотности мощности ИТ-оборудования, увеличивающий теплоотдачу ЦОДов, и внедрение жидкостного охлаждения, упрощающего подачу горячей воды, повышают жизнеспособность проектов рекуперации тепла. Многие инициативы по рекуперации отводимого тепла сегодня индивидуальны. Вероятно, стандартизация деталей, процессов и бизнес-моделей – дело времени. Но уже на данном этапе, после почти 70 документально подтвержденных внедрений по всему миру, эффективность рекуперации тепла можно считать доказанной на практике.

Ключ к будущему этой технологии – сотрудничество между муниципалитетами, поставщиками энергии, потребителями тепла и операторами ЦОДов. Для этого понадобятся новые рыночные структуры, платформы и инструменты. Шаги в нужном направлении уже предпринимают и отраслевые организации, такие как Open Compute Project, и спонсируемые правительством инициативы, подобные немецкой Bytes2Heat.

Разработки в области рекуперации тепла, вероятно, укрепят позиции субарктических регионов как основных мест размещения ЦОДов. В Северной Европе уже сейчас эксплуатационные расходы на электропитание и охлаждение дата-центров одни из самых низких.

Независимо от экономических выгод для операторов ЦОДов количество объектов, которые готовы экспортировать отводимое тепло, будет увеличиваться в результате растущего давления регулирующих органов, связанного с повышением экологичности.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!