Datová centra jako zdroj tepla
Přehrát audio verzi
Datová centra jako zdroj tepla
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Teplo ze serverů může vytápět domy, pokud se podaří sladit technologii datových center s nároky centrálního zásobování teplem. Legislativa už cestu otevřela, teď je na řadě technické řešení. Článek rozebírá cesty, jak odpadní teplo z datacenter využít.
Foto: pexels
Úvod
Podle zákona 469/2023 Sb. a aktualizace 406/2000 Sb. (leden 2024) je vlastník nebo stavebník datového centra povinen zajistit využití energie odpadního tepla vyprodukovaného výpočetní technikou. Zákon uvádí 3 možnosti: dodávka tepla do soustavy zásobování tepelnou energií, dodávkou tepelné energie odběrateli za podmínek stanovených energetickým zákonem nebo přímou spotřebou v energetickém hospodářství uživatele či jeho ucelené části. Tento článek se zaměřuje na možnosti dodávky tepla do soustavy CZT z datových center v souladu s výše zmíněnými zákony.
Datová centra jako zdroj tepla
Datová centra a telekomunikace mají světovou roční spotřebu přes 400 TWh, které odpovídají zhruba 2 % elektrické světové spotřeby a je 3 × vyšší než spotřeba České republiky. Teplo v datových centrech je produkováno primárně v samotných serverech, kde zhruba 99 % elektrického příkonu je transformováno do tepla. Menší část tepla je možné získat v rozvodnách, trafostanicích či UPS. [1]
Chlazení datových center
Základní rozdělení chlazení datových center jsou: Vzduchem chlazená, Kapalinou chlazená.
Vzduchem chlazená DC
Vzduchem chlazená jsou nejčastější technologie chlazení, která je osvědčená, bezpečná, levná a jednoduchá na instalaci, bez požadavku na specializovaný hardware. Teplota odvodního vzduchu standardně dosahuje 30–35 °C. Typická instalace je se vzduchotechnickou jednotkou, která distribuuje vzduch do datového sálu. Tato jednotka může být s vodou chlazeným externím chillerem, poté se jedná o CRAH jednotku, případně samotná jednotka může být výparníkovou částí split systému, poté se jedná o CRAC jednotku. Často se kombinuje v zimním provozu s freecoolingem, kdy nedochází k provozu kompresorového chlazení. Atypickou variantou jsou celoroční freecoolingové instalace, kdy je využíván pouze venkovní vzduch s případným adiabatickým předchlazením pro chlazení datového sálu.
Kapalinové chlazení
Kapalinové chlazení je možné rozdělit na několik typů, přímé chlazení, rear door cooling, celoobjemové chlazení. Přímé kapalinové chlazení spočívá v přivedení kapaliny (většinou demineralizovaná voda) ke komponentám IT, které produkují většinu tepla (procesor, GPU, RAM). Teplosměnná plocha je tenký plošný výměník. Zbytek IT je dochlazen vzduchem. Rear door cooling je kombinace, kdy vzduch projde serverem, odebere teplo z IT a na výdechu z racku je výměník vzduch/voda, kde teplo předá do kapaliny. Celoobjemové chlazení je atypické řešení, kdy celý server je ponořen do nevodivé kapaliny.
Pozitiva vodního chlazení jsou možnost vyšší výkonové hustoty (tj. více kW/rack), nižší provozní náklady a vyšší odvodní teplota. Teplota vody v kapalinovém chlazení může dosahovat až 65 °C. Typickou vstupní teplotou do IT je 45 °C (vzhledem k ASHRAE standardům).
Soustavy CZT
![Obr. 1 Podíl CZT na dodávkách tepla v Evropě [2]](/docu/clanky/0293/029364o1.jpg)
Obr. 1 Podíl CZT na dodávkách tepla v Evropě [2]
Soustavy CZT jsou nejvíce rozšířené v Číně (1 640 TWh/rok), Rusku (1 470 TWh/rok) a EU (882 TWh/rok). Zbytek světa spotřebuje cca 400 TWh/rok. V Evropě je největší podíl CZT na spotřebě tepelné energie v zemích střední, východní a severní Evropy, viz Obr. 1.
Trendy v CZT postupují směrem k snižování uhlíkové stopy, redukce závislosti na fosilních zdrojích a zvyšování podílu obnovitelných a alternativních zdrojů tepla. Tento trend podporují také obecné snižování teploty v rozvodech CZT, který je umožněn snižováním energetické náročnosti budov a redukce v teplotním spádu otopných soustav. Díky tomu je možné napojit také zdroje s nízko potenciálním teplem. Jedním z těchto zdrojů je právě odpadní teplo z datových center.
V České republice byla dodávka CZT 26 TWh (výroba 44,9 TWh), které odpovídají 40 % rezidenční spotřeby. Na výrobě se nejvýrazněji podílí hnědé uhlí 38 %, zemní plyn 21 %, biomasa 15 %. V současné době dochází k přechodu z 3. na 4. generaci soustav CZT, kde by měla teplota na přívodu být mezi 40–70 °C a současně soustav, kde se uplatňují jako zdroje tepla kogenerace, spalovny odpadů, OZE, tepelná čerpadla a odpadní teplo z chlazení a průmyslu. [3][4]
Technické řešení
Technické řešení v samotném DC
Hlavní překážkou dnes pro využití odpadního tepla z nízko potenciálních zdrojů v CZT je nízká výstupní teplota a skupenství, ve kterém je teplo produkováno. Dnes nejčastějším řešením DC jsou vzduchem chlazené chillery. Zde je výstupní teplota cca 40–50 °C v kapalině. U tohoto řešení je nutné navýšit teplotu pro využití v CZT, a to ideálně pomocí vysokoteplotního tepelného čerpadla. Tyto jednotky dnes standardně dosahují výstupních teplot 85 °C, někteří výrobci udávají i přes 100 °C. Schéma řešení je na Obr. 2.
V případě datových center se vzduchovým freecoolingem je technické řešení výrazně složitější a nákladnější. Bylo by nutné instalovat výměník vzduch/voda, případně kaskádu tepelných čerpadel vzduch/voda a dále voda/voda. Toto řešení je v momentální situaci ekonomicky nerentabilní.
Další variantou je vodní chlazení, kde může být výstupní teplota chladicí kapaliny z datového sálu až 65 °C. I v tomto případě je u dnešních soustav CZT nutné navýšení teploty. Je možné, že po přechodu na nízkoteplotní soustavy CZT 4. generace bude možné přímé napojení bez navyšování teploty.
Obr. 2 Technické řešení napojení současného DC na soustavu CZT
Napojení odpadního tepla do CZT
Napojení dodávek tepla do soustavy CZT se může lišit dle potenciálu zdroje a požadavkům provozovatele CZT (viz Obr. 3). Klasickou variantou je zpátečka na přívod. Jedná se o typickou instalaci hlavního zdroje tepla. Druhá varianta je zpátečka na zpátečku. Jedná se o efektivnější variantu, kde je možné provozovat TČ na vyšším COP. Zde dojde k navýšení teploty na zpátečce soustavy CZT. Třetí varianta je přívod na přívod. Tento systém je možný využit k lokálnímu navýšení teploty soustavy CZT, například v okrajových úsecích. Ovšem TČ musí pracovat na vyšších teplotách, a tedy nižším COP.
Obr. 3 Varianty napojení DC na soustavy CZT
Teplota v soustavě CZT může být proměnlivá v čase. Je tedy na zvážení provozovatele CZT, zda například v létě nezapojit nízko potenciální zdroje tepla formou zpátečka na přívod a v zimně, v období výrazně vyšší poptávky, tyto zdroje zapojit efektivněji formou zpátečka na zpátečku. I toto řešení může snížit poměr neobnovitelných zdrojů v soustavách CZT.
Vzdálenost mezi DC a CZT
Při plánování propojení těchto dvou systémů je nutné vzít v potaz vzdálenost obou provozů. Za prvé dochází k tepelným ztrátám při přenosu kapaliny a současně je mařena elektrická energie na pohon oběhových čerpadel. Tepelné ztráty je možné snížit pomocí instalace tepelného čerpadla v místě napojení na CZT, nikoliv v samotném DC. Níže jsou prezentovány výstupy z autorského vyhodnocení ztráty tepla a spotřeby elektrické energie čerpadel při rozdílné vzdálenosti mezi DC a soustavou CZT.
| Vzdálenost [m] | 0 | 100 | 200 | 500 | 1000 | 2000 |
| Tepelná ztráta [%] | 0,0 | 0,4 | 0,7 | 1,8 | 3,5 | 7,1 |
| Spotřeba el. energie na čerpadlech [%] | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,7 | 1,1 | 1,8 |
Studie ze světa
Green Mountain
Green mountain je Norská společnost, která se specializuje na DC. Jejich politikou je udržitelnost, a proto většina datových center spotřebovává primárně obnovitelnou elektrickou energii. Jejich datové centrum, uvedené do provozu 1Q 2025 v Mohuči o výkonu až 18 MW bude dodávat odpadní teplo do místní soustavy CZT. Současně využívá jako chladicí médium vodu z řeky Rýn.
Jejich další datová centra v Norsku využívají pro chlazení naopak vodu z fjordů (celoročně cca 8 °C), kterou poté vypouští zpět do moře (20 °C). Toho se využívá lokálně pro chování humrů a ryb. [5]
Equinix, Paříž
Jedna z nenápadných investic pro Olympijské hry 2024 bylo posílení technické infrastruktury, včetně soustav CZT. Datové centrum Equinix PA10 se napojilo na soustavu CZT a primárně dodává teplo do plaveckého bazénu. Servery Equinix jsou chlazeny vodou, ovšem výstupní teplota je pouze 28 °C, a proto musí být navýšena až na finální teplotu 65 °C pomocí teplených čerpadel. Toto datové centrum ročně produkuje cca 10 000 MWh tepla. [6]
SuperMUC-NG, Mnichov
Jedná se o Německý superpočítač v Garchingu u Mnichova. Ve své době (instalace 2012) se jednalo o nejvýkonnější počítač v Evropě s příkonem 3,4 MW. Jednalo se o jeden z pilotních projektů využití odpadního tepla z IT, kdy v 1. a 2. etapě byl superpočítač napojen na lokální CZT, viz Obr. 4 a ve třetí etapě bylo odpadní teplo napojeno na adsorpční chlazení pro vlastní potřeby chlazení datového sálu. Celý systém byl chlazen vodním chlazením o teplotním spádu 40/70 °C. [7]
![Obr. 4a Urbanistický plán Garching [7]](/docu/clanky/0293/029364o7.jpg)
![Obr. 4b Pohled do serverovny [7]](/docu/clanky/0293/029364o9.jpg)
![Obr. 4c Pohled na server SuperMUC [7]](/docu/clanky/0293/029364o11.jpg)
Obr. 4 Urbanistický plán Garching, pohled do serverovny a na server SuperMUC [7]
Literatura
- Anders S.G. Andrae, T. Edler, 2015. On Global Electricity Usage of Communication Technology: Trends to 2030. MDPI. Dostupné z https://www.mdpi.com/2078-1547/6/1/117. ISSN 2017-1547
- Ramboll, 2020 District Heating and Cooling Stock at EU level. W.E.DISTRICT. Dostupné z: https://www.wedistrict.eu/wp-content/uploads/2020/11/WEDISTRICT_WP2_D2.3-District-Heating-and-Cooling-stock-at-EU-level.pdf
- ERÚ ČR. Roční zpráva o provozu teplárenských soustav ČR za rok 2021 | Dostupné z: https://eru.gov.cz/
- Boháč, Zavřel, Nesládek, 2023. Typologie soustav CZT v ČR. Společnost pro techniku prostředí – odborná sekce 02 Vytápění. Dostupné z: https://dspace.cvut.cz/handle/10467/109045
- The Green Mountain. Dostupné z: https://greenmountain.no/
- Kerner, Walker, 2024. Paris 2024: Excess Data Center Heat Used to Warm Olympic Swimming Pools. DataCenterKnowledge. Dostupné z: https://www.datacenterknowledge.com/sustainability/paris-2024-excess-data-center-heat-used-to-warm-olympic-swimming-pools
- J. Oltmanns a kol., 2020. Potential for waste heat utilization of hot-water-cooled data centers: A case study. Energy Science & Engineering. Dostupné z: https://doi.org/10.1002/ese3.633
Poděkování
Článek vznikl s podporou ze studentské grantové soutěže SGS25/012/OHK1/1T/11.
Článek se zaměřuje na problematiku využití odpadního tepla z datových center (DC), zejména v kontextu jeho integrace do soustav centrálního zásobování teplem (CZT). Autoři uvádějí zahraniční příklady realizovaných projektů a ukazují, že tento koncept má reálný potenciál. Přínosné je posouzení vzdálenosti mezi DC a CZT a jejího vlivu na tepelné ztráty. V rámci rostoucí spotřeby energie v IT sektoru je téma velmi aktuální. Text však zůstává převážně na koncepční úrovni a nepřináší hlubší technickou či ekonomickou analýzu. Autorům bych doporučila navázat zpracováním detailnější technicko-ekonomické analýzy, která by pomocí konkrétních dat a modelových scénářů ověřila reálnou proveditelnost a přínosy integrace odpadního tepla z datových center do CZT.