Ciepło z serwerowni dla miejskich sieci ciepłowniczych? Ogromny potencjał
Cyfryzacja gospodarki, a także coraz liczniejszych aspektów naszego codziennego życia wymusza rozwój infrastruktury informatycznej, w tym budowę wielkoskalowych serwerowni – centrów przetwarzania danych. Aby mogły działać, zużywają one duże ilości energii elektrycznej, która praktycznie w całości przekształca się w ciepło (tak samo jak ładowarka czy domowy router nagrzewają się podczas pracy). W tej chwili ciepło wytwarzane w centrach danych ulatuje wprost do atmosfery – to duża strata. Ten strumień energii można przechwycić i przekształcić w ciepło ogrzewające nasze mieszkania.
Integracja sektora ciepłowniczego oraz centrów przetwarzania danych jest korzystna biznesowo dla obu stron. Skorzysta na tym również środowisko, a gospodarstwa domowe otrzymają tańsze, czyste ciepło. Jak wyskalować ten trend? O tym pisze w swojej analizie Forum Energii.
Wykorzystanie technologii cyfrowych rośnie w każdej dziedzinie naszego życia. Centra przetwarzania danych (CPD), stanowiące kluczowy element ekosystemu informatycznego, to nowa gałąź gospodarki, to fabryki XXI w. Kluczowe gospodarki świata zabiegają o lokalizację centrów na swoim terenie. Przemawiają za tym wzrost bezpieczeństwa wrażliwych danych, możliwość tworzenia miejsc pracy w sferze IT i inne korzyści ekonomiczne. Polska ze względu na swoje położenie i poziom rozwoju gospodarczego może stać się hubem CPD dla Europy Środkowo-Wschodniej.
Według Międzynarodowej Agencji Energii, w 2022 r. zużycie energii elektrycznej przez CPD na całym świecie wynosiło 460 TWh, a do roku 2026 ma się podwoić. Polskie Sieci Elektroenergetyczne szacują, że do 2034 r. moc CPD w Polsce wzrośnie do 1063 MWe (z obecnych 174 MWe), a zużycie energii elektrycznej wyniesie 9,3 TWhe. Zapewnienie produkcji odpowiedniej ilości energii oraz jej dostawy do wybranych lokalizacji CPD powinno być jednym z elementów polityki energetycznej kraju.
Potencjał ciepła generowanego przez centra danych
Praktycznie cała energia elektryczna zasilająca CPD przekształca się w ciepło. 1 MWe mocy przyłączeniowej CPD to możliwość pozyskania 1 MWt mocy cieplnej dla miejskiej sieci ciepłowniczej. Ciągle jest zbyt mało rozwiązań technicznych, które zapewniłyby pełne wykorzystanie dostępnego strumienia ciepła odpadowego z CPD.
Centrum przetwarzania danych o mocy 40-50 MWe może zapewnić pokrycie 75 proc. potrzeb systemu ciepłowniczego 30-tysięcznego miasta. W przypadku Warszawy pozyskanie ciepła z CPD o mocy 300 MWe oznaczałoby zaspokojenie 25 proc. potrzeb sieci miejskiej.
Współpraca krajowych przedsiębiorstw ciepłowniczych oraz sektora centrów przetwarzania danych to przykład korzyści biznesowych dla obu stron. Ciepłownictwo pozyskuje tanie, czyste ciepło, a sektor CPD dodatkowe możliwość inwestycyjne na terenach z rozwiniętą infrastrukturą energetyczną oraz szanse na obniżenie kosztów operacyjnych.
Serwerownie w elektrociepłowniach
Moment na dyskusję o nowych sposobach odzyskiwania ciepła jest idealny. Wiele firm technologicznych zaczyna wdrażać projekty budowy centrów przetwarzania danych w Polsce. Jednocześnie branża ciepłownicza musi intensywnie szukać nowych źródeł energii cieplnej – czystych, tanich i nieobciążonych kosztami środowiskowymi. To jest niezbędne, ponieważ ciepłownictwo systemowe w ciągu dekady odejdzie całkowicie od spalania węgla. Wymuszą to zarówno koszty produkcji, jak i przepisy.
Rezygnacja z węgla otworzy nowe możliwości wykorzystania terenów należących do elektrociepłowni i ciepłowni. Likwidacja urządzeń wykorzystujących to paliwo oraz placów magazynowych zacznie uwalniać znaczące obszary – tereny inwestycyjne z dobrą infrastrukturą energetyczną i ciepłowniczą. Tego właśnie poszukuje branża serwerowa: działek z dostępem do sieci energetycznych, gdzie można doprowadzić zasilanie o mocy dziesiątek, a czasem i setek megawatów.
Lokowanie centrów przetwarzania danych na terenach elektrociepłowni to nie tylko ułatwienie inwestycji dla firm technologicznych, ale także szansa na obniżenie kosztu produkcji ciepła dla przedsiębiorstw ciepłowniczych – dzięki odzyskaniu strumienia ciepła odpadowego i przetransferowaniu go do sieci ciepłowniczej. Obustronnych korzyści jest wiele. Ważne, aby oba sektory je zauważyły i nawiązały ścisłą współpracę.
Aktywniejszą rolę powinien odgrywać sektor ciepłownictwa, który pilnie potrzebuje taniego i bezemisyjnego ciepła. Współpraca będzie korzystna biznesowo dla wszystkich. Jak rzadko w biznesie, mamy tu klasyczną sytuację win-win.
Bilans energetyczny serwerowni
Na informacje o mocach elektrycznych serwerowni należy patrzeć nie tylko perspektywy sieci energetycznych, ale również ciepła odpadowego, które generują. A jest tego sporo. Warto zapamiętać poniższe uproszczone równanie, aby mieć świadomość, jaki potencjał ciepła użytkowego jest do pozyskania z każdego centrum przetwarzania danych. Mowa o setkach i tysiącach megawatów.
1 MWe energii elektrycznej dla serwerowni = 1 MWt ciepła do sieci cieplnej
Ciepło do sieci może być dostarczone bezpośrednio, jeżeli mamy do czynienia z sieciami niskotemperaturowymi 4G i 5G, lub przy wykorzystaniu pompy ciepła w przypadku tradycyjnych sieci miejskich. Ciepło odpadowe z wielkoskalowego centrum przetwarzania danych o mocy przyłączeniowej rzędu 40-50 MWe mogłoby pokryć w trzech czwartych popyt na ciepło sieci miejskiej 30-tysięcznego miasta.
Im więcej przechwycimy ciepła z serwerowni, tym lepsze będą ich parametry energetyczne, a systemy ciepłownicze zyskają większy strumień czystej i taniej energii.
Energia elektryczna wykorzystywana przez centrum przetwarzania danych rozpływa się w trzech głównych kierunkach:
- zasilenie sprzętu IT (serwery, dyski, sprzęt sieciowy, itp.) – od 60 do 80 proc. zużycia (druga wartość dotyczy nowych CPD)
- chłodzenie i wentylacja (agregaty chłodnicze, szafy klimatyzacyjne, pompy obiegowe, centrale wentylacyjne, nawilżacze itp.) – od 30 do 10 proc. zużycia;
- wewnętrzny system energetyczny (baterie, UPS, transformatory, linie przesyłowe, oświetlenie itp.) – około 10 proc. zużycia.
Transfer ciepła odpadowego do celów grzewczych
Praktycznie cała energia elektryczna dostarczana do CPD zamienia się w ciepło usuwane przez systemy chłodzenia i wentylacji. To ciepło powinno być kierowane do dalszego wykorzystania. W tradycyjnych systemach chłodzenia z szafami klimatyzacyjnymi temperatura usuwanego powietrza osiąga poziom do 32 st. C, natomiast w systemach bezpośredniego chłodzenia procesorów cieczą (chłodzenie zanurzeniowe) temperatura wylotowa czynnika chłodzącego osiąga 52 st. C (a w niektórych rozwiązaniach nawet 60 st. C).Tak wysoka temperatura cieczy chłodzącej umożliwia wręcz bezpośrednie (bez użycia pompy ciepła) przetransferowanie ciepła odpadowego do celów grzewczych.
Warunek jest jednak taki, że budynek musi być przystosowany do zasilania niskotemperaturowego. W przeciwnym razie wykorzystanie pompy ciepła będzie konieczne, aby podnieść temperaturę do poziomu 85-90 st. C.
Zasilanie sprzętu IT oraz wewnętrzny system energetyczny generuje stały popyt na energię w ciągu roku. Natomiast zapotrzebowanie na chłodzenie i wentylację zmienia się w zależności od temperatury otoczenia i pory roku. W okresie lata potrzeby chłodnicze centrów danych są najwyższe, gdyż procesory nie powinny pracować w temperaturach otoczenia powyżej 25 st. C. Zwiększa to zatem zapotrzebowanie na energię elektryczną. W okresie zimy i niskich temperatur otoczenia wykorzystuje się tzw. free cooling, czyli system wentylacyjny, korzystający z niższych temperatur powietrza i co za tym idzie wymagający mniej energii elektrycznej oraz niewymagający uruchamiania agregatów chłodniczych.
Warto jednak jeszcze raz podkreślać, że bez względu na to, jak wygląda bieżąca praca układu chłodzenia i wentylacji, ilość energii elektrycznej konsumowanej przez sprzęt IT, a zatem i generowanego ciepła jest praktycznie stała. Oznacza to, że CPD jest stabilnym i pewnym źródłem ciepła, pracującym cały rok.
Korzyści dla centrów danych
Co zyskują deweloperzy CPD z mariażu z elektrociepłowniami? Lista korzyści jest spora:
Dostęp do terenu inwestycyjnego z dobrą infrastrukturą energetyczną
Elektrociepłownie mają rozbudowane rozdzielnie i połączenia z Krajowym Systemem Elektroenergetycznym, co pozwala pokonać główną barierę rozwoju CPD, jaką jest brak dostępnych mocy przyłączeniowych dla dużych serwerowni.
Dostęp do sieci ciepłowniczej
Możliwość odzysku ciepła odpadowego jest bardzo ważna z perspektywy wskaźników efektywnościowych, które muszą raportować CPD. Jest też ważna ze względów ekonomicznych, gdyż CPD może mieć przychód ze sprzedaży swojego ciepła odpadowego. Połączenie systemu chłodzenia CPD z odzyskiem ciepła dla systemów ciepłowniczych odciąża układ chłodzenia CPD i obniża koszty eksploatacyjne.
Lokalizacja w mieście
W wyniku rozwoju urbanistycznego wielu miast Polski elektrociepłownie, budowane kiedyś na obrzeżach, znalazły się niemal w samym ich centrum. Tymczasem bliskość infrastruktury miejskiej i informatycznej ma znaczenie dla centrów przetwarzania danych. Dodatkowo dla CPD znaczenie ma też infrastruktura drogowa i transportowa, z czym nie ma problemu w przypadku miejskich elektrociepłowni.
Ułatwienie procedur inwestycyjnych
Budowa CPD na terenach przemysłowych siłą rzeczy ułatwi i skróci procedury administracyjne i oceny środowiskowe. A czas to pieniądz.
Wykwalifikowana kadra do obsługi CPD
Energetyka dysponuje wysokiej klasy fachowcami, którzy mogą znaleźć zatrudnianie w CPD w zakresie działań związanych z bieżącą obsługą. Transformacja elektrociepłowni od technologii węglowych w kierunku technologii gazowych i elektryfikacji ciepła zmniejszy popyt na pracowników. Warto wykwalifikowaną kadrę zatrzymać na miejscu np. przy eksploatacji CPD.
Poprawa wizerunku sektora CPD
Włączenie się sektora CPD w proces transformacji polskiego ciepłownictwa, przyspieszenie działań prowadzących do ograniczenia wykorzystania węgla oraz zmniejszenia emisji CO2 ciepłownictwa jest bez wątpienia tym, czego sektor CPD potrzebuje w czasach, gdy opina publiczna ma coraz większe pretensje o jego rosnący ślad klimatyczny i zużycie energii.
Powyżej przedstawione zostały wybrane fragmenty analizy przygotowanej przez Forum Energii. Z całym opracowaniem można się zapoznać pod tym linkiem.
Forum Energii
