Riutilizzo dell'energia termica del centro dati: raffreddamento ad acqua calda

In questa serie esploreremo i diversi modi in cui gli operatori dei data center cercano di essere cittadini globali responsabili, assicurando al contempo un ritorno a lungo termine sugli asset, riducendo la loro impronta di carbonio attraverso la cattura e il riutilizzo dell'energia termica prodotta dalle loro apparecchiature ICT. Ho preso come spunto per la mia conversazione un articolo dell'ottobre 2011 MIT Technology Review articolo di Neil Savage, "Effetto serra: Five Ideas for Re-using Data Centers' Waste Heat". I cinque esempi citati nell'articolo rappresentano in realtà cinque strategie generali e pertanto li ritengo un utile punto di partenza per esplorare gli sviluppi dei nove anni successivi. Le idee erano:

Il centro dati dell'Università di Notre Dame ha riscaldato una serra.

Un centro dati della Syracuse University ha prodotto la propria elettricità e ha utilizzato l'acqua fredda in eccesso per climatizzare un edificio per uffici adiacente in estate e l'acqua calda in eccesso per riscaldarlo durante l'inverno.

Un centro dati di ricerca IBM a Zurigo ha utilizzato il raffreddamento a liquido ad acqua calda e ha usato l'acqua di "ritorno" più calda per riscaldare un laboratorio adiacente.

L'Oak Ridge National Laboratory ha sviluppato un meccanismo che si applica a un microprocessore e produce elettricità.

Un centro dati Telecity a Parigi ha fornito calore per esperimenti di ricerca sugli effetti del cambiamento climatico. 

Nella prima parte, abbiamo esaminato le variazioni sull'uso dell'aria calda di scarto del centro dati da parte dell'Università di Notre Dame per mantenere una serra adiacente durante gli inverni dell'Indiana settentrionale. Anche se abbiamo esaminato diversi esempi di riutilizzo dell'aria calda, in generale il basso livello di energia dell'aria a 80-95˚F e il requisito che l'applicazione sia essenzialmente adiacente al centro dati hanno rappresentato ostacoli ragionevoli a un ROI interessante. Esaminando l'uso dell'aria di scarto a 80˚F da una sala UPS per ridurre l'obiettivo di 100˚F dei riscaldatori a blocco del generatore, abbiamo stabilito che si può affermare che pratiche efficaci di gestione del flusso d'aria, che consentono a un data center di operare più vicino al limite superiore raccomandato dall'ASHRAE, produrrebbero aria di scarto che potrebbe eliminare del tutto la necessità di riscaldatori a blocco del generatore. Questo esempio affronta sia gli ostacoli legati al grado di energia che quelli legati all'adiacenza. Per il resto, abbiamo riscontrato che gli usi più efficaci dell'energia termica proveniente dall'aria di ritorno dei centri dati si sono verificati nelle reti di teleriscaldamento locali del Nord Europa e abbiamo scoperto che oltre 10% dell'energia di riscaldamento svedese proviene dai centri dati. In effetti, i distretti di riscaldamento locali, in una forma o nell'altra, rappresentano un modello utile per il riutilizzo efficace dell'energia dei centri dati, come vedremo nelle discussioni successive.

Ho coniato l'espressione "taping the loop" per la seconda categoria di riutilizzo dell'energia dei data center, in cui il lato di alimentazione del circuito dell'acqua refrigerata può essere sfruttato per il raffreddamento ausiliario e il lato di ritorno può essere sfruttato per il riscaldamento o il raffreddamento. Nell'esempio dell'Università di Syracuse riportato nell'articolo di Savage, la fonte primaria di energia per il riutilizzo era lo scarico della turbina, che era abbastanza caldo da azionare i refrigeratori ad assorbimento per fornire l'aria condizionata dell'edificio, che veniva sfruttata per raffreddare il centro dati, o abbastanza caldo da passare attraverso uno scambiatore di calore per riscaldare l'edificio durante l'inverno. Un esempio più attuale di "sfruttamento del circuito" è il progetto Westin-Amazon a Seattle, che ha comportato un'ingegneria un po' più semplice, ma molta più creatività nella gestione complessiva del progetto, richiedendo la collaborazione di vari enti governativi, servizi pubblici e aziende che perseguono interessi personali reciprocamente vantaggiosi. In sostanza, gli edifici per uffici di Amazon rappresentano l'equivalente di un "cliente" del distretto di riscaldamento locale per Clise Properties (il proprietario del Westin Carrier Hotel), e Clise Properties e McKinstry Engineering hanno costituito un'entità registrata come società di servizi approvata. Amazon eviterà circa 80 milioni di kWora di costi energetici per il riscaldamento e Clise Properties eviterà le spese di gestione delle torri di evaporazione e le perdite di acqua che ne derivano. Sebbene il modello Westin-Amazon rappresenti il modello perfetto per un progetto efficace di riutilizzo dell'energia dei data center, un esame di un progetto simile annullato presso il Massachusetts Institute of Technology ha rivelato la complessità di cercare di radunare tutti i gatti per un'impresa del genere, che vedremo di nuovo in questa terza parte della serie.

La terza categoria di riutilizzo dell'energia termica dei centri di elaborazione dati, dal MIT Technology Review è il raffreddamento ad acqua calda, che può essere vantaggioso per entrambe le prime due categorie, ma è particolarmente vantaggioso per il raffreddamento a liquido dei data center (che sta finalmente guadagnando una certa importanza nel nostro settore). Come già menzionato, se l'aria di scarico del centro dati viene utilizzata per facilitare l'avviamento dei generatori, l'aumento dell'aria di mandata da 65˚F o 70˚F a 78-80˚F produrrà una temperatura dell'aria di ritorno sufficientemente alta da eliminare i riscaldatori a blocco. Inoltre, nel progetto Westin-Amazon, una buona esecuzione di contenimento del flusso d'aria del centro dati potrebbe consentire di aumentare l'apporto di acqua del centro dati allo scambiatore di calore delle utenze in misura sufficiente a ridurre il sollevamento dell'impianto di recupero del calore di 28%. In nessuno di questi casi stiamo parlando di raffreddamento con acqua calda o tiepida, ma anche spostando l'ago di questi piccoli passi si possono ottenere benefici significativi. Quando iniziamo a lavorare con l'acqua calda, otteniamo energia termica di scarto di grado superiore e l'acqua è più facile da spostare rispetto all'aria.

Il centro dati IBM di prova presso il laboratorio di ricerca di Zurigo ha sfruttato le innovazioni nel raffreddamento a liquido a contatto diretto, in cui l'acqua calda è stata pompata attraverso microcanali di rame collegati ai chip dei computer. Hanno scoperto che l'acqua di alimentazione a 140˚F manteneva le temperature dei chip intorno ai 176˚F, al di sotto dei 185˚F massimi raccomandati. Il raffreddamento dell'acqua calda ha portato a una temperatura di "ritorno" post-processo di 149˚F, un grado di energia termica adeguato sia per il riscaldamento che per il raffreddamento dell'edificio attraverso un refrigeratore ad assorbimento, senza bisogno di pompe di calore. Oltre a fornire calore a un laboratorio adiacente, il refrigeratore ad assorbimento ha fornito 49 kW di capacità di raffreddamento a circa 70˚F. Una panoramica semplificata di questo approccio è illustrata nella Figura 1.

Figura 1: Flusso semplificato del riutilizzo dell'energia per il raffreddamento a liquido dei centri dati

Nello stesso periodo in cui l'esperimento di proof of concept di IBM sul raffreddamento a liquido ad acqua calda veniva implementato in Svizzera, eBay stava sperimentando il raffreddamento ad acqua calda a Phoenix nell'ambito del ben pubblicizzato Mercury Project. Il progetto Mercury prevedeva una parte del data center raffreddata da un circuito di acqua refrigerata collegato a refrigeratori e un secondo data center che utilizzava l'acqua di ritorno del condensatore del primo data center fino a 87˚F per alimentare gli scambiatori di calore montati sul retro dei rack. Ovviamente, le temperature superavano quelle raccomandate dall'ASHRAE per l'aria in ingresso ai server, ma rimanevano nell'intervallo consentito dalla Classe A2. È stato in questa operazione che Dean Nelson e il suo team hanno ideato una metrica di efficienza dei data center basata sulla missione aziendale che lega i costi dei data center alle transazioni di vendita dei clienti, dando così forma a quell'illusorio punto di svolta tra efficienza ed efficacia dei data center. In questo caso, il "cliente" era interno e il calore residuo non veniva utilizzato come fonte di energia termica, ma come fonte di raffreddamento.

Il modello Project Mercury offre infatti una visione del raffreddamento ad acqua calda a basso rischio che potrebbe essere disponibile per molti data center senza dover passare a una forma di raffreddamento a liquido a contatto diretto. Ad esempio, i data center che utilizzano scambiatori di calore a porta posteriore possono operare con temperature di alimentazione superiori a 65˚F, che superano facilmente la temperatura di ritorno di un circuito di acqua di raffreddamento per il comfort degli edifici. Attingendo all'acqua di ritorno si ottiene essenzialmente un raffreddamento gratuito e, durante il periodo dell'anno in cui l'aria condizionata dell'edificio potrebbe non essere in funzione in modo continuo (o del tutto, per i miei amici del Minnesota), gli scambiatori di calore della porta posteriore possono essere alimentati attraverso un economizzatore di scambiatori di calore per il raffreddamento gratuito. Lo stesso principio si applica al raffreddamento a liquido a contatto diretto, che dovrebbe essere essenzialmente gratuito in qualsiasi struttura con un carico di comfort cooling di dimensioni significative.

Più recentemente, IBM Zurigo ha tradotto il proof-of-concept in un super computer di produzione completa a Zurigo (LRZ SuperMUC-NG), con un progetto parallelo a Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, responsabile dell'integrazione dei sistemi intelligenti presso i laboratori di Zurigo, sostiene che il supercomputer di produzione è in realtà una struttura a emissioni negative, poiché tutte le apparecchiature ICT sono alimentate da energia rinnovabile e il riscaldamento e il raffreddamento prodotti dal centro dati rappresentano una riduzione delle emissioni. Il profilo di temperatura delle diverse fasi del processo di cui alla Figura 1 varia a seconda della situazione e dei requisiti del cliente. Ad esempio, per raffreddare la rete e le apparecchiature di storage durante il periodo più caldo, quando non è disponibile il free cooling, e per fornire energia termica utilizzabile alle reti di teleriscaldamento durante il periodo più freddo, il data center funziona a 149˚F. Per fornire riscaldamento a pavimento ai clienti residenziali, può scendere a 131˚F e per supportare il free cooling a Oak Ridge funzionerà a 113˚F. Il refrigeratore ad assorbimento Fahrenheit funziona con una temperatura di azionamento di 127˚F per fornire acqua refrigerata a 68˚F alle unità di raffreddamento che servono lo stoccaggio e le apparecchiature di rete, con una capacità di raffreddamento totale di 608kW.

Il progetto IBM dipende da un'innovazione rivoluzionaria nella riduzione della resistenza termica, che consente di aumentare la temperatura dell'acqua nel chip, con un conseguente miglioramento delle prestazioni complessive del chip. Tuttavia, una qualsiasi delle varie soluzioni di raffreddamento a liquido a contatto diretto oggi disponibili sul mercato può offrire una parte significativa dei vantaggi del raffreddamento ad acqua calda. Tutte le soluzioni dichiarano che la temperatura dell'acqua di alimentazione "di raffreddamento" può mantenere una temperatura adeguata del chip e persino migliorare le prestazioni del chip rispetto al tradizionale raffreddamento ad aria. Anche se queste temperature non sono sufficientemente elevate per sostituire direttamente le fonti di riscaldamento tradizionali (caldaie, ecc.) o per azionare i refrigeratori ad assorbimento, sono comunque abbastanza elevate da ridurre drasticamente la potenza richiesta alle pompe di calore per portare il calore a un livello utile. Inoltre, alle temperature di raffreddamento del liquido, non dovrebbero essere necessari refrigeratori o raffreddamenti meccanici. La prossima volta esamineremo alcuni dei compromessi in termini di investimenti e costi operativi associati alla raccolta dei benefici del raffreddamento ad acqua calda e alcune delle sfide sociali e infrastrutturali più importanti.