Развитие искусственного интеллекта, облачных платформ и технологий обработки данных приводит к устойчивому росту потребления электроэнергии в глобальных центрах обработки данных. Хотя основная доля энергопотребления в центрах обработки данных приходится на работу серверов, системы охлаждения занимают второе место. Однако новое исследование, проведенное исследователями из Национальной лаборатории Скалистых гор (NLR), ранее известной как NREL, предлагает потенциальное решение для снижения пикового энергопотребления.

Опубликованный в журнале Applied Energy технико-экономический анализ , проведенный под руководством Хёнджуна О, Дэвида Сикингера и Дианы Асеро-Аллард — исследователей из групп NLR по хранению энергии и вычислительной науке, — продемонстрировал систему, позволяющую более эффективно и экономично охлаждать центры обработки данных.

Подход, называемый резервуарным хранением тепловой энергии (RTES), предполагает хранение холодной энергии под землей, а затем её использование для охлаждения объектов в периоды пикового спроса.

Что такое РТЭС?

Система RTES использует холодный наружный воздух и дешёвую электроэнергию перед тем, как начать её запасать. При понижении температуры, будь то в холодное время года или ночью, система использует оборудование, такое как сухие градирни или чиллеры, для охлаждения воды перед её закачкой под землю.

В жаркую погоду, как правило, летом, эта накопленная холодная вода по мере необходимости закачивается обратно и проходит через теплообменник, где она обеспечивает прямое охлаждение, поглощая тепло из возвратной тёплой воды центра обработки данных.

Затем эта нагретая вода возвращается под землю в другой, так называемый «горячий колодец». Она не охлаждается сразу, а остаётся тёплой до следующего цикла подпитки, когда холодный наружный воздух и электроэнергия в непиковый период снова доступны для пополнения холодоёмкости резервуара. Этот непрерывный цикл поддерживает баланс системы и обеспечивает надёжное охлаждение, одновременно снижая расходы на электроэнергию и снижая нагрузку на сеть.

Скважины RTES обычно бурятся на глубину около километра или меньше — достаточно глубоко, чтобы достичь грунтовых вод, — хотя фактическая глубина варьируется в зависимости от местной геологии. Солоноватые или соленые водоносные горизонты, в которые вскрываются скважины, естественным образом удерживаются окружающими слоями горных пород, что делает их идеальными для долгосрочного хранения тепловой энергии, поскольку они медленно текут и химически стабильны.

Учебные сценарии

В исследовании Applied Energy команда разработала два сценария охлаждения на основе RTES, используя четыре скважины, пробуренные на глубине 275 метров, и смоделировала их эффективность для охлаждения центра обработки данных в течение 20-летнего периода. В исследовании, в частности, был смоделирован сезонный цикл подзарядки: сброс холодной энергии летом и пополнение резервуара холодной водой зимой.

В обоих сценариях использовались сухие градирни , которые обеспечивают «свободное охлаждение» за счёт перемещения воздуха через теплообменник с механическими вентиляторами — без энергоёмких компрессоров и холодильных циклов, что снижает потребление электроэнергии. В отличие от градирен, сухие градирни также не потребляют воду на месте. Один из двух сценариев также включал систему рекуперации тепла , которая использовала отходящее тепло из центра обработки данных для отопления здания зимой.

Команда сравнила оба сценария RTES с третьим контрольным сценарием: традиционной системой охлаждения без RTES, использующей сухие градирни в сочетании с парокомпрессионными чиллерами. Хотя чиллеры в целом эффективны, их производительность снижается летом, поскольку компрессорам приходится работать интенсивнее для поддержания низких температур в условиях более жаркого наружного воздуха, что приводит к увеличению потребления электроэнергии.

RTES позволяет избежать этой проблемы, поскольку использует хранящуюся под землей холодную воду, что делает её работу гораздо менее зависимой от наружной температуры.

Главный вывод: по данным анализа группы, благодаря исключению энергоемких циклов охлаждения система RTES оказалась почти в семь раз эффективнее традиционных охладителей в пиковый летний период, имея коэффициент полезного действия 16,5 по сравнению с 2,4.

«Потребление электроэнергии традиционными системами охлаждения значительно, особенно летом, тогда как система RTES существенно снизила потребление электроэнергии, представив инновационный и усовершенствованный метод охлаждения центров обработки данных», — сказал О, инженер-геотермалист из NLR и ведущий автор исследования.

Для центров обработки данных с постоянной потребностью в охлаждении это означает снижение расходов на коммунальные услуги при сохранении надёжной круглосуточной работы.

Итак, насколько же снизились эти расходы на коммунальные услуги? Анализ показал, что нормированная стоимость охлаждения (показатель, измеряющий общие затраты на производство и доставку холода в течение всего срока службы системы) снизилась с 15 долларов за мегаватт-час (МВт·ч) при использовании чиллеров до всего 5 долларов за МВт·ч при использовании RTES.

Исследование в конечном итоге продемонстрировало, что система RTES может надежно охлаждать центр обработки данных в течение 20 лет, что подчеркивает потенциал геотермальных систем для охлаждения в дополнение к их более известным применениям для отопления.

Общая картина

Проект ориентирован на высокопроизводительный вычислительный центр обработки данных мощностью 5 мегаватт (МВт) в Колорадо, как описано в статье Applied Energy , а также на объект по майнингу криптовалюты мощностью 30 МВт в Техасе и гипермасштабный центр обработки данных мощностью 70 МВт в Вирджинии.

В техническом отчете, подготовленном несколькими лабораториями, анализируются все три объекта, включая вопросы экономии воды, а отдельная публикация в журнале Journal of Clean Energy and Energy Storage посвящена объектам в Техасе и Вирджинии.

Хотя в этом исследовании не моделировалось явное ценообразование в зависимости от времени потребления электроэнергии или состояние региональной сети, текущее исследование NLR — проект «Холодное подземное хранилище тепловой энергии» ( Cold UTES ) — основано на этих результатах. В совокупности эти проекты демонстрируют, насколько RTES может снизить потребление электроэнергии, затраты и даже потребление воды. Эти результаты помогли сформулировать исследование технологий RTES, проводимое Министерством энергетики США в 2025 финансовом году.

Дальнейшие исследования в рамках NLR и за его пределами направлены на изучение того, как RTES может ещё эффективнее использовать непиковую, более дешевую электроэнергию для работы традиционного охлаждающего оборудования с очень высокой эффективностью и хранения больших объёмов холодной тепловой энергии под землей в течение длительного времени.

Команда NLR также сотрудничает с исследователями из Чикагского университета, Принстонского университета и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли для изучения RTES наряду с другими системами хранения на основе воды, такими как хранение тепловой энергии в водоносных слоях и скважинах.

Эти усилия будут способствовать лучшему пониманию того, какие системы лучше всего подходят для различных региональных подземных условий.

Контакты, администрация и авторы