Дата-центры круглый год выделяют огромный объём тепла, а ведь это тепло могло бы обогревать целые кампусы в зимнее время. Инженеры освоили эффективный способ запасать выделяемую энергию: закачивать избыточное тепло под землю в тёплое время года, а зимой извлекать его из скальных пород и направлять на отопление зданий с помощью тепловых насосов.
Источник изображения: Unsplash, Eric Stoynov
Недра земли не так быстро нагреваются и остывают, как атмосферный воздух. Это свойство давно используется человечеством для улучшения своего быта. Летом в подземных объектах достаточно прохладно, а зимой относительно тепло. Данное свойство можно применять для отвода тепла от центров обработки данных, которые выделяют его очень много.
Американская компания Epic Systems в штате Висконсин на протяжении двух десятилетий экспериментирует с технологией тепловых геотермальных насосов для охлаждения собственных ЦОД и обогрева вспомогательных помещений. На территории её кампуса в Вероне расположено около 40 зданий, которые обогреваются зимой и охлаждаются летом при помощи системы тепловых насосов, интегрированной с системой охлаждения ЦОД. Компании пришлось пробурить примерно 6100 скважин глубиной от 90 до 240 метров, чтобы использовать недра земли для терморегулирования режимов на своих объектах. Местный ЦОД этого разработчика ПО обладает мощностью 3,5 МВт.
Подобная идея на этапе практической реализации часто упирается в сложности теплового баланса. ЦОД выделяет тепло круглый год, а применять выделяемое им тепло для обогрева помещений нужно лишь в течение зимы, которая в климатическом понимании в США редко длится более четырёх месяцев. Для тепловой энергии, которая выделяется ЦОД на постоянной основе, нужно какое-то буферное хранилище.
И таким хранилищем могут выступать большие подземные куски скальной породы, которые способны достаточно долго сохранять тепловую энергию, поскольку она утекает только через периферийные участки. Если подводить тепло к центру такого массива, он сможет хранить его несколько месяцев подряд. Нагретая ЦОД в летние месяцы вода поступает по трубам глубоко под землю к центру больших фрагментов скальной породы. А зимой, чтобы из тёплой скалы получить горячую воду для отопления, используются тепловые насосы. Горячей эту воду назвать нельзя, но ведь на её нагрев не нужно тратить дополнительную энергию. В Нидерландах подобная система подводит зимой накопленное тепло с помощью воды, температура которой составляет около 15 °C.
При температуре, которую создают серверы центра обработки данных — около 60 °C — рекуперированного тепла недостаточно для работы турбины для выработки электроэнергии. Однако эта тёплая вода эффективно используется для обогрева: тепловой насос способен переносить большие объемы тепла, потребляя при этом относительно мало электроэнергии. В Висконсине компания Epic использует эту горячую воду в офисах, общественных помещениях и даже подогревает ею тротуары, чтобы на них не скапливался снег. По официальной статистике, здания в кампусе Epic расходуют на 25 % меньше энергии, чем сопоставимые здания в округе.
В долгосрочной перспективе такая схема использования избыточного тепла от ЦОД создаёт проблему, поскольку подземные скалы со временем перестают принимать тепло свыше определённого предела. Epic по этой причине набурила скважин с запасом, чтобы распределять тепловую энергию от своего не слишком большого 3,5-МВт дата-центра по скальным объектам на большей площади. В случае же с огромными гигаваттными объектами такой подходя вряд ли применим — тепла будет слишком много. По этой же причине ЦОД нельзя «закопать» под землю.
Снизить расходы на бурение скважин можно, используя уже имеющиеся заброшенные скважины, которые были оборудованы для добычи подземных ископаемых. На территории США таковых насчитывается более 141 000 штук. Нужно лишь узаконить такое переоснащение данных скважин. Правда, применять скважины для работы тепловых насосов могут только здания, расположенные непосредственно над ними или на небольшом удалении. Epic при помощи своего поля скважин обогревает весь кампус. В Германии подобная система, только с запасание тепла в подземном водоносном слое, обеспечивает от 60 до 80 % зимней потребности в тепловой энергии целого комплекса офисов, отеля, ЦОД и медицинского центра с 2009 года.
Развитие ЦОД будет сохранять актуальность проблемы использования генерируемой ими тепловой энергии. Один только расход электричества в 2024 году, приходившийся на ЦОД в США, составлял 4,7 % от общенационального объёма. По прогнозам, эта величина к 2030 году приблизится к 12 %. В отдельных американских штатах на ЦОД приходится от 15,4 до 25,6 % расхода электроэнергии.
Генерируемое ими тепло лучше использовать с выгодой, чем просто рассеивать. В ЦОД до 40 % электроэнергии расходуется именно на их охлаждение, а ещё нагреваемая ими вода активно испаряется в атмосферу. Это не самая эффективная схема, и над её оптимизацией стоит подумать.