مطالعهای از آزمایشگاه ملی راکیز (NLR) نشان میدهد ذخیرهسازی حرارتی سرد زیرزمینی (cold UTES) میتواند هزینهٔ برق خنکسازی دیتاسنترها را بهطور چشمگیری کاهش دهد و نیاز به آب و تجهیزات چیلر را کم کند.
چرایی تبدیل خنکسازی دیتاسنترها به یک چالش
سرورها و تجهیزات محاسباتی برای عملکرد پایدار به خنکسازی مداوم نیاز دارند. در برخی مراکز، سیستمهای خنکسازی تا حدود 40% از مصرف سالانهٔ انرژی را تشکیل میدهند. روشهای متداول شامل دمیدن هوای سرد یا گردش آب خنک است که هم مصرف انرژی و آب را افزایش میدهد و هم بار قابلتوجهی بر شبکهٔ برق وارد میکند.
مکانیسم عملکرد cold UTES
اصل کار ساده است: سرمای طبیعی شبانه یا هوای زمستانی در مخازن زیرسطحی یا حفرههای عمقی ذخیره میشود و هنگام نیاز به خنکسازی از آن برداشت صورت میگیرد. این رویکرد قابلیت ذخیرهسازی در بازههای زمانی روزانه تا فصلی و در مقیاس تِراواتساعتی را دارد. برای اطلاعات پایه دربارهٔ مفاهیم ذخیرهٔ انرژی حرارتی به ویکیپدیا: ذخیرهٔ انرژی حرارتی مراجعه کنید.
نتایج کلیدی مطالعه
محققان NLR همراه با آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (LBNL)، دانشگاه شیکاگو و پرینستون، با تلفیق مدلهای سطح سایت و سطح شبکه روی 12 دیتاسنتر نمونه در آریزونا و ویرجینیا شبیهسازی انجام دادند. نکات برجسته:
- کاهش هزینههای برق تا 70% برای خنکسازی در سایت ویرجینیا؛ معادل تقریبی 20 میلیون دلار در سال برای یک سایت با ظرفیت 1 گیگاوات.
- کاهش نیاز به چیلرهای حجیم و صرفهجویی در هزینههای سرمایهای و نگهداری.
- براساس شبیهسازیهای اقتصادی، کاهش هزینههای زیرساختی و سوخت بین 90 تا 390 میلیون دلار برای مرجع یک گیگاواتی در طول عمر پروژه.
مزایای عملیاتی و شبکهای
برداشت سرمای ذخیرهشده در ساعات کمبار (مثلاً شب) موجب جابهجایی بار خنکسازی از ساعات اوج مصرف میشود. این تغییرات عملیاتی به چند مزیت منجر میشود:
- کاهش فشار روی ظرفیتهای انتقال و توزیع شبکه،
- آزادسازی توان بیشتر برای بار محاسباتی (مثلاً افزودن سختافزارهای پردازشی مانند GPU)،
- کاهش مصرف آب و ایجاد مزیت رقابتی در مناطقی با محدودیت منابع آبی.
ابزارهای شبیهسازی و مدلهای اقتصادی
تیم پژوهشی از یک مدل تکنو-اقتصادی توسعهیافته توسط NLR برای برآورد عملکرد سالانهٔ سایتها استفاده کرد و ابزارهای بهینهسازی مانند Regional Energy Deployment System و GenX پرینستون را برای تحلیل اثرات منطقهای و زیرساخت شبکه بهکار برد.
از شبیهسازی تا اجرای نمایشی
یافتهها در کارگاهی با حضور بیش از 100 شرکتکننده در پردیس South Table Mountain آزمایشگاه NLR ارائه شد. دفتر انرژی زمینگرمایی وزارت انرژی آمریکا برنامهٔ Underground Thermal Energy Storage Collaboration را برای توسعهٔ سایتهای نمایشی در مقیاس تجاری راهاندازی کرده است؛ پروژهای که NLR رهبری آن را برعهده دارد و چهار آزمایشگاه ملی دیگر و شرکای صنعتی را درگیر میکند. اطلاعات مرتبط در صفحهٔ این دفتر قابلدسترس است: energy.gov/eere/geothermal.
مناطق مناسب برای پیادهسازی
فناوری در مناطقی که ناپیوستگیهای دمایی شبانه یا زمستانی قابلاتکا دارد و در دیتاسنترهای با بار خنکسازی بالا مانند دیتاسنترهای هیپراسکیل بیشترین بهره را میبرد. ترکیب cold UTES با روشهای کنونی خنکسازی و زمانبندی مصرف برق میتواند نیاز به سرمایهگذاریهای سنگین در چیلرها و توسعهٔ شبکه را کاهش دهد و بازدهٔ اقتصادی بالایی ایجاد کند.
ملاحظات فنی و گامهای بعدی
- مطالعات زمینشناسی محلی برای تعیین ظرفیت، نفوذپذیری و پایداری مخازن زیرسطحی،
- طراحی یکپارچه با سیستمهای خنکسازی موجود و مدیریت ترمودینامیکی جریانها،
- اجرای پایلوتهای نمایشی برای ارزیابی عملکرد بلندمدت و کاهش ریسک سرمایهگذاری.
ذخیرهسازی حرارتی سرد زیرسطحی میتواند هزینههای عملیاتی و بار شبکه را کاهش داده و مدلهای کنونی خنکسازی دیتاسنترها را دگرگون کند. اکنون لازم است پروژههای نمایشی و برنامههای تجاریسازی اجرا شوند تا کارایی واقعی در میدانی و قابلیت ادغام با سایر فناوریهای پاک مشخص شود.
