Инженерная инфраструктура центров обработки данных (ЦОД)

Присутствие большого количества отходов вызывает вопрос о том, что можно было бы сделать с этими отходами для экономии денег. В области генерирования электроэнергии потерянная энергия в виде тепла является отходом производства и, кажется, безвозвратно потерянной. Несмотря на то, что, согласно второму закону термодинамики, ни один процесс не является полностью эффективным, современные энергогенерирующие предприятия оставляют много возможностей для улучшения производства. Если дата-центр планирует генерировать собственную электроэнергию, не все выделяемое тепло при производстве электроэнергии может теряться. Тригенерация позволяет повысить эффективность производства и сократить эксплуатационные затраты.

     Тригенерация — это комбинированное производство электроэнергии, тепла и холода. Тригенерация представляет собой способ использования тепла, вырабатываемого, например, во время сжигания природного газа или угля для получения электрической энергии при помощи турбин, для производства холода, в дополнение к обычной электрической энергии и теплу, производимой электростанцией.

     Тригенерация требует от инвесторов более крупных капитальных затрат, но в то же время может давать огромные выгоды в отношении качества производимой электроэнергии и независимости от нестабильной работы электрической сети, при постоянном росте цен на энергию, правильно спланированная и реализованная схема тригнерации в ЦОД может обеспечить быструю окупаемость инвестиций.

Что такое тригенерация?

В результате сжигания топлива выделяется тепловая энергия и побочные продукты, например, углекислый газ. Механическое устройство, обычно турбина, преобразует некоторую часть тепловой энергии в электрическую энергию. Большое количество тепловой энергии при этом теряется, то есть тепло ни для чего не используется и просто выбарсывается в атмосферу. Однако, в дата-центре можно использовать тепло. Естественно, некоторая часть энергии будет теряться по причине невозможности создать систему со 100% КПД. Конечно, можно в холодное время использовать тепло для обогрева офисных зон и горячего водоснабжения, растапливания снега. Эта сторона тригенерации полезна, когда дата-центр является частью большого комплекса, который включает большое количество различных зданий. Этот процесс аналогичен тому как тепло, выделяемое двигателем автомобиля, используется для обогрева салона.

     Но в ЦОД проблем стоит не в обогреве, а в охлаждении. И тепло, выделяемое при генерировании электроэнергии, можно использовать для охлаждения дата-центра и для кондиционирования воздуха в офисных и других помещениях. Это тепло можно использовать для работы абсорбционных холодильных машин (абсорбционных чиллеров).

     Итак мы получаем три составляющие в ходе производственного процесса – электроэнергию, тепло и холод.

Преимущества тригенерации

Тригенерация использует тепловую энергию, которая иначе была бы потеряна. Но для оправдания капитальных затрат на создание инфраструктуры необходимой для реализации подобной системы требуются сведения о том, насколько эта система эффективнее обычной электрогенерирующей установки. Топливо, расходуемое установкой, считается основанием для измерения эффективности: топливо сжигается для получения определенного количества тепла. Доля этого тепла, которая превращается в полезную форму (электричество, подогрев или охлаждение), определяет эффективность электрогенерирующей установки.

     Как правило, генерирование одной только электрической энергии является неэффективным. По данным Американского агентства по защите окружающей среды (EPA), приблизительно две трети энергии, получаемой в результате сжигания угля или другого ископаемого топлива, теряется: “Средняя эффективность американских электростанций, работающих на ископаемом топливе, составляет 33% и оставалась практически без изменений на протяжении четырех десятилетий”.

     По данным нескольких источников, эффективность или кпд тригенерации может быть более 80%, а по некоторым расчетам, она может достигать 90%. Однако даже при 70% система тригенерации будет более чем в два раза эффективнее средней электростанции. Иными словами, реализация тригенерации могла бы предположительно сократить затраты дата-центра наполовину. Это будет зависеть от соотношения количества электроэнергии требуемой дата-центром, и его потребностей в охлаждении и подогреве. По данным M + W Group (“M+W Zander at the Hannover Messe: Reducing CO₂ Emissions by up to 40 percent using Trigeneration Power Plants”), электростанция, основанная на тригенерации, может работать на ископаемых видах топлива и возобновляемых источниках энергии. Высокий уровень эффективности, достигающий 85%, можно получить с помощью использования тепла, выделяемого во время генерации электроэнергии для обеспечения потребителя паром и охлаждением. 85% означает, что 15% энергии, получаемой при сжигании топлива, теряется, и, обычно, это выражается потерями тепловой энергии и потерями на распределении электрической энергии.

     Электростанция с использованием тригенерации сможет постоянно иметь кпд 85%? Конечно, нет. Электрическая нагрузка может оставаться постоянной на протяжении года, и таким образом, требовать определенного уровня расхода топлива, но требование по теплу и охлаждению могут быть разными. В летние месяцы потребность в охлаждении будет более высокой, а в зимние месяцы потребность в подогреве будет более высокой. Но весной и осенью потребность в охлаждении и подогреве может значительно снижаться. В таких случаях тепло, используемое для подогрева и охлаждения, может расходоваться не так как обычно, и, следовательно, практическая эффективность системы тригенерации будет снижаться.

     Тем не менее, повышение эффективности в периоды максимальной нагрузки может давать большую экономию энергии, даже в среднем за год. Правильность определения выгодности тригенерации для конкретного дата-центра может зависеть от ряда факторов, в том числе от потребности в подогреве и охлаждении, инфраструктуры ЦОД.

Отрицательные стороны тригенерации

К сожалению, более высокая эффективность не обходится даром. Конечно, главный вопрос заключается в том, сколько все это будет стоить. Само собой расходы могут быть разными. Но EPA предлагает анализ затрат, связанных с подобной системой, при определенных средних условиях. Этот анализ подразумевает монтаж системы тригенерации под ключ. EPA оценивает капитальные расходы на такую систему из расчета $1200 за киловатт.

Использование тригенерации в сиракузском университете

Примером использования тригенерации в дата-центре может быть “зеленый дата-центр” сиракузского университета. В этом дата-центре используются 12 микротурбин на природном газе, размещенных в турбинном зале. Электричество, вырабатываемое турбинами, передается в электротехническое помещение для распределения в дата-центре и аккумуляторной, в которой находится система бесперебойного питания (ИБП). Что примечательно, микротурбины могут “генерировать любую комбинацию электрической энергии переменного и постоянного тока на месте, что позволяет избегать потерь энергии, которые, как правило, происходят во время передачи и преобразования электроэнергии”. Побочный продукт процесса горения топлива, тепло передается в зал с абсорбционными чиллерами, которые охлаждают воду и охлажденная вода используется для охлаждения дата-центра и соседнего офисного здания. Это офисное здание также получает теплую воду.

     В дата-центре используются абсорбционные чиллеры Thermax, в которых раствор бромида лития используется для переноса водяного пара и стимулирования процесса испарения. Градирня обеспечивает дополнительную охлаждающую способность. Теплообменники производят горячую воду для подогрева соседнего офисного здания во время холодных зимних месяцев. Охлаждение серверных стоек осуществляется с помощью холодной жидкости, подаваемой к дверям серверных стоек. Данная система разработана для сиракузского университета компанией IBM. Дата-центр зарегистрирован Американским советом по зеленому строительству (USGBC).

Фрикулинг или тригенерация?

А как быть с дата-центрами, в которых применяется фрикулинг? Во многих районах фрикулинг можно использовать в течение большей части времени в году, а в некоторых районах его можно использовать почти круглый год. Когда охлаждение не требует генерирования электрической энергии, практические выгоды тригенерации могут существенно уменьшаться. Тригенерацию по-прежнему можно будет использовать для подогрева и охлаждения, например, офисного здания, но ее необходимость в дата-центре будет сомнительной.

     В блоге DatacenterDynamics (“Тригенерация или Фрикулинг?”), Роберт Тозер отметил, что “исходя из упрощенческого подхода, дата-центру всегда требуется электрическая энергия и охлаждение, и, поэтому тригенерация может быть идеальным решением. Однако при более детальном рассмотрении выявляются ранее незамеченные проблемы. Хотя нам может требоваться охлаждение ИТ-оборудования, это не всегда может требовать компрессоров, так как могут применяться технологии фрикулинга”. Тозер делает вывод, что “фрикулинг без использования чиллеров с компрессорами представляет собой наиболее интересное рентабельное решение с самым низким уровнем выбросов CO₂”.

     Итак, какое же решение наиболее выгодное? Конечно, это будет зависеть от потребностей дата-центра. Инфраструктура тригенерации может не стоить вложенных в нее средств, если на объекте нельзя найти хорошего применения рекуперированной тепловой энергии. Это, в частности, касается дата-центров, в которых применяется фрикулинг.

     Фрикулинг, там, где его использование представляется возможным, кажется наилучшим решением, особенно для компаний, которые ориентируются на максимальное снижение затрат. В этом случае, экономия на капитальных затратах могла бы перевесить долгосрочные выгоды использования тригенерации для обеспечения электроснабжения и охлаждения дата-центра. В таком случае, в некоторой степени, фрикулинг действительно уменьшает преимущества тригенерации. Во всех остальных отношениях впечатляющее повышение энергетической эффективности, обеспечиваемое тригенерацией, по сравнению со стандартным генерированием электрической энергии, затмевается тем, что означает полное (или почти полное) отсутствие необходимости в охлаждении, которое является большим потребителем электрической энергии. Таким образом, тригенерация становится больше похожей на новаторскую технологию с ограниченным применением, которая может никогда не получить широкого распространения. В некотором смысле, она немного запоздала. Однако это не означает, что тригенерация не может иметь никакого применения, и примером тому может быть зеленый дата-центр сиракузского университета.

Выводы

Тригенерация обещает повышение эффективности за счет использования тепловой энергии, выделяемой во время генерирования электрической энергии. Возможно, единственной отрицательной стороной этой улучшенной технологии является то, что эффективность не связана, собственно, с генерацией электрической энергии. Электричество имеет больше применений, чем тепло – его можно использовать для питания ИТ-оборудования и других электронных устройств, или же его можно использовать для охлаждения, подогрева, освещения и других целей. Когда потребности в подогреве и охлаждении минимальные, повышенная эффективность системы тригенерации будет терять преимущество, которое она предлагает во время периодов высокой потребности в подогреве и охлаждении.

     Тем не менее, в случаях использования инфраструктуры традиционного охлаждения, тригенерацию, по крайней мере, можно использовать для удовлетворения потребностей дата-центра в охлаждении, и тем самым значительного повышения эффективности процесса генерирования электрической энергии. Однако при использовании фрикулинга, выгодность этой технологии будет все больше уменьшаться.

     КПД типичных американских электростанций, которое составляет приблизительно 33%, выглядит как ужасное расточительство. Конечно, некоторые ограничения имеют простую физическую основу: с помощью стандартной турбины из тепловой энергии можно извлечь только такой процент. Тригенерация предлагает способ использования потерянного тепла и тем самым повышения эффективности. Хотя уровень практического применения этой улучшенной технологии может быть разным, это может быть еще одним альтернативным решением для дата-центров – особенно для тех, которые генерируют собственную электрическую энергию — которое позволит им снижать отрицательные последствия повышения стоимости энергии и ограничивать другие отрицательные воздействия на окружающую среду.