Centra danych jako źródło ciepła odpadowego

Centra danych to obiekty, w których mieści się rozbudowana infrastruktura służąca do gromadzenia i przetwarzania informacji na dużą skalę. Serwery, urządzenia do przechowywania i dystrybucji danych, infrastruktura sieciowa to cała masa elektroniki, która na skutek przepływu prądu elektrycznego wydziela ciepło. Co czyni centra danych atrakcyjnym źródłem energii cieplnej? Jej ciągłość i stabilność – centra danych działają bez przerwy, a więc stanowią stabilne i przewidywalne źródło ciepła.

Pomijając energię elektryczną potrzebną na utrzymanie budynków, m.in. oświetlenie, wentylację czy zasilanie biur, cała energia elektryczna pobierana przez centrum danych zamieniania jest w ciepło. Szacuje się, że do 2030 moc działających w Polsce centrów danych może przekroczyć 600 MW, co oznacza, że 600 MW ciepła odpadowego z centrów danych mogłoby zostać odebrane i przekazane do sieci ciepłowniczej.

Dla porównania – jeden z największych europejskich systemów ciepłowniczych, dostarczający ciepło do blisko 1,5 mln osób i mający niespełna 2 tys. km rur – warszawski system ciepłowniczy, ma średnioroczne zapotrzebowanie na poziomie ok. 1100 MW. Centra danych mogą więc stanowić istotne źródło ciepła do ogrzewania miast.

Jak działają systemy ciepłownicze i czego „oczekują” od źródeł ciepła

Miejski system ciepłowniczy to zbiór instalacji wytwarzających, przesyłających, dystrybuujących i przetwarzających ciepło. Składa się ze źródeł ciepła – przeważnie ciepłowni lub elektrociepłowni; sieci ciepłowniczej – rurociągów, pompowni i armatury służących do przesyłania ciepła do odległych części miast i dystrybuowania go lokalnie na terenie osiedli oraz węzłów ciepła – znajdujących się w budynkach wymienników ciepła wraz z aparaturą kontrolną oraz automatyką, służących do przekazywania ciepła z sieci do wewnątrzbudynkowych instalacji cieplnych. Znaczna większość węzłów cieplnych, to węzły dwufunkcyjne służące do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) oraz centralnego ogrzewania (c.o.).

Do kontrolowania systemów ciepłowniczych stosuje się regulację ilościowo-jakościową, co oznacza, że wraz ze wzrostem zapotrzebowania systemu na ciepło zwiększa się przepływ wody sieciowej oraz podnoszona jest jej temperatura. Minimalna temperatura ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) w punktach czerpalnych powinna wynosić 55 °C, co oznacza, że temperatura wody sieciowej musi być wyższa. W praktyce, uwzględniając minimalną różnicę temperatur (tzw. Pinch point) pomiędzy medium oddającym ciepło (woda sieciowa), a medium odbierającym ciepło (woda użytkowa) oraz straty ciepła w sieci – minimalna temperatura wody sieciowej to ok. 70 °C.

W sezonie letnim, kiedy ciepło sieciowe wykorzystywane jest jedynie na cele c.w.u., a zapotrzebowanie systemu jest niewielkie, stosowana jest jedynie regulacja ilościowa. Przepływ wody sieciowej zwiększany jest głównie do pokrywania wzrostów zapotrzebowania, kiedy mieszkańcy intensywnie korzystają z ciepłej wody – szczytów rannego i wieczornego. W sezonie grzewczym, kiedy na dworze jest chłodno i uruchamiane jest c.o. na znaczeniu zyskuje regulacja jakościowa. Każdy system ciepłowniczy ma swoją tabelę regulacyjną, według której zmienia się temperaturę wody sieciowej w zależności od temperatury zewnętrznej, a nieraz także uwzględnia się czynniki, takie jak nasłonecznienie oraz wiatr.

Zapotrzebowanie systemów jest więc zmienne w ujęciu dobowym oraz sezonowym. Do tego zapotrzebowania dopasowuje się pracę źródeł, które tłoczą większe lub mniejsze ilości wody oraz podgrzewają ją do różnych temperatur. Co najważniejsze, źródła te muszą być sterowalne i dostosowywać swoją pracę do aktualnych potrzeb systemu. Dla każdego okresu można jednak wyróżnić zapotrzebowanie bazowe i moc, która do systemu musi być dostarczana w każdym momencie.

Zderzenie parametrów: ciepło z DC vs. realia polskich sieci ciepłowniczych

Wyróżnia się różne generacje systemów ciepłowniczych – od pierwszej (obecnie praktycznie niewystępującej) do piątej. Im wyższa generacja systemu, tym system ciepłowniczy jest bardziej nowoczesny, bardziej efektywny energetycznie, a co za tym idzie – pracujący na niższych parametrach.

W praktyce w Polsce występują systemy drugiej generacji o parametrach pracy ok. 130/70 °C, co oznacza, że przy minimalnej projektowej temperaturze zewnętrznej (w zależności od strefy klimatycznej od -16 °C do -24 °C) temperatura wody w rurociągu zasilającym wynosi ok 130 °C, a w rurociągu powrotnym 70 °C. Dla systemów czwartej i piątej generacji temperatura zasilania jest znacznie poniżej 100 °C, rzędu 70–50 °C, jednak znany jest mi tylko jeden taki system w Polsce i to obejmujący bardzo mały obszar.

Wróćmy jednak do obiektów data center. Ciepło w centrach danych pochodzi z pracy urządzeń elektronicznych, które należy chłodzić, aby utrzymać prawidłowe dla nich warunki pracy. Ciepło to jest usuwane z serwerowni poprzez układy chłodzenia i wyrzucane do atmosfery. Chłodzenie można prowadzić na różne sposoby, ale kluczowe dla potencjalnego wykorzystania ciepła odpadowego z centrów danych jest medium, którym to ciepło jest z elektroniki odbierane.

Pod tym względem instalacje chłodnicze wykorzystywane w centrach danych podzielić można na chłodzenie powietrzem oraz chłodzenie wodne. O ile chłodzenie powietrzem jest prostsze w realizacji, to chłodzenie wodne jest wydajniejsze, bardziej efektywne energetycznie, a – co istotne dla możliwości zagospodarowania ciepła odpadowego – pracuje na wyższej temperaturze. W przypadku chłodzenia powietrzem uzyskiwane temperatury powietrza wylotowego są rzędu 30–40 °C, a w przypadku chłodzenia wodnego jest to 45–65 °C.

Jak widać, nawet w przypadku chłodzenia wodnego i temperatury na poziomie 60–65 °C, jest to za mało, aby wykorzystać to ciepło do zasilania systemów ciepłowniczych. Tu z pomocą przychodzą pompy ciepła, które mogą podnieść temperaturę wody odprowadzającej ciepło z centrów danych do ok. 80 °C. Istnieją pompy wysokotemperaturowe, pozwalające na uzyskanie wyższej temperatury, ale dzieje się to kosztem sprawności, co w konsekwencji zmniejsza opłacalność ekonomiczną. Poziom 80 °C należy zatem przyjmować jako techniczno-ekonomiczny kompromis, który pozwala na efektywne wykorzystanie ciepła z centrów danych.

Jak zostało wcześniej wspomniane, każdy system ciepłowniczy ma swoją tabelę regulacyjną mówiącą jaka jest wymagana temperatura wody sieciowej, aby pokryć zapotrzebowanie systemu przy danych warunkach atmosferycznych. Temperatura 80 °C w większości przypadków pozwala na pokrycie zapotrzebowania systemów przy temperaturze zewnętrznej rzędu 7–5 °C. Co za tym idzie, centra danych mogą stanowić bazowe źródło ciepła w niemalże każdym systemie ciepłowniczym w Polsce, a w systemach generacji 4. i 5.  – nawet w pełnym zakresie temperatur projektowych.

Znaczenie lokalizacji centrum danych

Sieci ciepłownicze można podzielić na sieci magistralne – służące do wyprowadzania mocy ze źródeł i przesyłania ciepła do odległych części miast oraz na sieci rozdzielcze – rurociągi dystrybuujące ciepło w obrębie poszczególnych osiedli.

Sieci magistralne, służące do przesyłu dużych ilości ciepła, a więc i dużych ilości wody, są oczywiście budowane z wykorzystaniem rur dużych średnic – w zależności od wielkości systemu od DN150 do nawet DN1500. Sieci rozdzielcze są sieciami mniejszych średnic, w przypadku niewielkich osiedli domów jednorodzinnych mogą być to średnice DN32, a nawet DN25.

Do wyprowadzenia ciepła z centrum danych o mocy 1 MW niezbędny jest dostęp do rurociągów ciepłowniczych o średnicy DN80-DN100. Dla obiektów o mocy 10 MW są to już rurociągi o średnicy ok. DN150, dla 20 MW DN250–DN400, a przy 50 MW potrzebna jest sieć o średnicy DN600-DN700. Sieci dużych średnic – DN400 i większe występują praktycznie jedynie w miastach wojewódzkich i to tylko w centrum systemu ciepłowniczego. Na obrzeżach dominować będą sieci średnie, do ok. DN150 i mniejsze. Tego typu kwestie należy uwzględnić na etapie planowania potencjalnej integracji.

Gdzie i kiedy integracja ma sens: nowe dzielnice i systemy niskotemperaturowe

Do integracji centrum danych z systemem ciepłowniczym nie wystarczy zapewnić odpowiednich parametrów ciepła odpadowego, ale również wziąć pod uwagę uwarunkowania lokalizacyjne i dostęp do rurociągów pozwalających odebrać odpowiednie ilości ciepła. Pamiętać należy również, że dla centrum danych ważniejszy od dostępu do sieci ciepłowniczej będzie dostęp do sieci telekomunikacyjnych i elektroenergetycznych.

Dlatego największy potencjał do wykorzystana centrum danych jako źródła ciepła będzie w nowoprojektowanych osiedlach i dzielnicach, gdzie zadbać można o ich odpowiednią lokalizację i dostęp do niezbędnej infrastruktury. W nowopowstających dzielnicach można również zadbać o budowę systemu ciepłowniczego wysokiej generacji, co pozwoli na wykorzystanie ciepła z centrów danych niezależnie od panujących warunków atmosferycznych.

W takich okolicznościach DC, dzięki stałej i przewidywalnej produkcji ciepła, stanowić może bardzo atrakcyjne źródło czystej energii dla systemu ciepłowniczego. Co więcej, dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego system ciepłowniczy będzie spełniał warunki systemu efektywnego i spełniał wszystkie wymagania stawiane dziś nowoczesnym i zrównoważonym systemom.

Projektowanie centrów danych z myślą o odzysku ciepła

Dla przedsiębiorstw ciepłowniczych atrakcyjnym będzie ciepło odpadowe dostarczane im w przewidywalnych ilościach i o przewidywalnych parametrach. Centra danych mają bardzo duży potencjał, by stać się źródłami takiej energii.

Jednocześnie, aby zmaksymalizować ten potencjał trzeba zwrócić uwagę na odpowiednie projektowanie układów chłodzenia. Układy wodne, pracujące na wyższych parametrach niż układy powietrzne oraz układy scentralizowane, w których całe ciepło krąży w jednym obiegu i trafia w jedno miejsce znacznie ułatwiają odzysk ciepła. Układy projektowane w ten sposób nie tylko umożliwią wykorzystanie energii odpadowej, ale również ograniczają nakłady na chłodzenie urządzeń w centrach danych. To miejsce, w którym spotykają się interesy operatorów data center i dostawców ciepła systemowego.

Potrzeba dialogu i koordynacji międzysektorowej

Integracja centrów danych z sieciami ciepłowniczymi napotyka na szereg problemów. Nie są to jednak problemy, których rozwiązania nie są znane. Wykorzystanie ciepła odpadowego z chłodzenia serwerowni do zasilania sieci ciepłowniczych jest technicznie możliwe, ekonomicznie uzasadnione i korzystne dla każdej ze stron – operatorów centrów danych, przedsiębiorstw ciepłowniczych oraz lokalnej społeczności. Dostarczając stabilnej i czystej energii pomogą również w spełnieniu celów klimatycznych i transformacji energetycznej.

Beneficjentów jest wielu, a potencjał zagospodarowania ciepła z centrów danych jest w dużej mierze zależny od współpracy i skoordynowania działań każdej ze stron. Odpowiednie planowanie jest kluczowe dla zapobieżenia zmarnowania tego potencjału, a do tegoniezbędny jest dialog wszystkich stron. Szczególnie powinno na tym zależeć organom centralnym, które poprzez właściwe regulacje i premiowanie mogą wspomóc realizacje celów zrównoważonego rozwoju przy zachowaniu otoczenia wspierającego rozwój branży Data Center w Polsce.

Michał Prończuk, ekspert w dziedzinie energetyki specjalizujący się w energetyce przemysłowej i technice cieplnej. Kierownik Projektów w E.ON Energy Infrastructure Solutions Polska, odpowiedzialny za strategiczne projekty transformacji energetycznej.