Riutilizzo dell'energia termica del data center: raffreddamento ad acqua calda

In questa serie esploreremo i diversi modi in cui gli operatori dei data center tentano di essere cittadini globali responsabili, garantendo al tempo stesso un ritorno a lungo termine sulle risorse riducendo l'impronta di carbonio attraverso la cattura e il riutilizzo dell'energia termica prodotta dalle loro apparecchiature ICT. Ho preso come inizio della mia conversazione un ottobre 2011 MIT Technology Review articolo di Neil Savage, "Effetto serra: cinque idee per riutilizzare il calore di scarto dei data center". I cinque esempi citati in questo articolo rappresentano in realtà cinque strategie generali e quindi li trovo un utile punto di partenza per esplorare gli sviluppi nei successivi nove anni. Le idee erano:

Il data center dell'Università di Notre Dame ha riscaldato una serra.

Un data center della Syracuse University produceva la propria elettricità e utilizzava l'acqua fredda in eccesso per climatizzare un edificio adibito a uffici adiacente in estate e l'acqua calda in eccesso per riscaldarlo durante l'inverno

Un data center di ricerca IBM a Zurigo ha utilizzato il raffreddamento a liquido con acqua calda e ha utilizzato l’acqua di “ritorno” più calda per riscaldare un laboratorio adiacente.

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

Un data center 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 scarico del data center da parte dell'Università di Notre Dame per mantenere una serra adiacente durante gli inverni dell'Indiana settentrionale. Sebbene abbiamo trattato diversi casi esemplificativi di riutilizzo dell'aria calda, in generale il basso livello di energia dell'aria a 80-95°F e il requisito che l'applicazione fosse essenzialmente adiacente al data center presentavano ostacoli ragionevoli per un ROI interessante. Nell'esaminare l'utilizzo dell'aria di scarico a 80°F da una sala UPS per ridurre l'aumento dell'obiettivo di 100°F dei riscaldatori del blocco generatore, abbiamo stabilito che si potrebbe dimostrare che pratiche efficaci di gestione del flusso d'aria consentono a un data center di operare più vicino a il limite superiore raccomandato dall'ASHRAE comporterebbe uno spreco di aria che potrebbe eliminare del tutto la necessità di riscaldatori a blocco generatore. Questo esempio ha affrontato sia gli ostacoli legati al grado energetico che quelli legati all'adiacenza. Altrimenti, abbiamo scoperto che gli usi più efficaci dell'energia termica proveniente dall'aria di ritorno dei data center si sono verificati nelle reti di teleriscaldamento locale del Nord Europa e abbiamo scoperto che oltre il 10% dell'energia di riscaldamento della Svezia proviene dai data center. In effetti, i distretti di riscaldamento locale, in una forma o nell’altra, rappresentano un modello utile per un efficace riutilizzo energetico dei data center, come vedremo nelle discussioni successive.

Ho coniato il termine “tapping the loop” per la seconda categoria di riutilizzo energetico del data center, in cui il lato di fornitura del circuito dell'acqua refrigerata potrebbe essere sfruttato per il raffreddamento ausiliario e il lato di ritorno potrebbe essere sfruttato per il riscaldamento o il raffreddamento. Nell'esempio dell'Università di Syracuse tratto dall'articolo di Savage, la fonte di energia primaria per il riutilizzo era lo scarico della turbina, che era abbastanza caldo da azionare i refrigeratori ad assorbimento per fornire aria condizionata all'edificio, che veniva sfruttato per raffreddare il data center, o abbastanza caldo da funzionare attraverso uno scambiatore di calore per riscaldare l'edificio durante l'inverno. Una stella splendente più attuale per “tapping the loop” è il progetto Westin-Amazon a Seattle, che ha comportato un po’ più di ingegneria semplice ma molta più creatività nella gestione complessiva del progetto, richiedendo la collaborazione tra varie agenzie governative, servizi pubblici e aziende che perseguono reciprocamente interesse personale vantaggioso. In sostanza, gli edifici per uffici di Amazon rappresentano l’equivalente di un “cliente” di un distretto di riscaldamento locale per Clise Properties (il proprietario del Westin Carrier Hotel), e Clise Properties e McKinstry Engineering hanno formato un’entità registrata come società di servizi pubblici approvata. Amazon eviterà circa 80 milioni di kWh di costi energetici per il riscaldamento e Clise Properties eviterà le spese di gestione delle torri di evaporazione e le spese per la conseguente perdita d’acqua. Sebbene il modello Westin-Amazon rappresenti per me il modello perfetto per un efficace progetto di riutilizzo energetico del data center "tapping the loop", una revisione di un progetto simile annullato presso il Massachusetts Institute of Technology ha rivelato la complessità del tentativo di radunare tutti i gatti per tale scopo. un'impresa, che vedremo nuovamente in questa terza parte della serie.

La terza categoria di riutilizzo dell'energia termica del data center MIT Technology Review è il raffreddamento ad acqua calda, che può avvantaggiare entrambe le prime due categorie, ma è particolarmente vantaggioso con il raffreddamento a liquido dei data center (che sta finalmente guadagnando terreno in modo significativo nel nostro settore). Come accennato in precedenza, se l'aria di scarico del data center viene utilizzata per facilitare l'avviamento del generatore, l'aumento dell'aria di mandata da 65°F o 70°F fino a 78-80°F produrrà una temperatura dell'aria di ritorno sufficientemente elevata da eliminare i riscaldatori a blocco. Inoltre, nel progetto Westin-Amazon, una buona esecuzione di contenimento del flusso d'aria del data center potrebbe consentire di aumentare la fornitura di acqua del data center allo scambiatore di calore dell'utilità in modo tale da ridurre del 28% il sollevamento dell'impianto di recupero del calore. In nessuno di questi casi si parla di raffreddamento con acqua tiepida o calda, ma anche muovere l’ago questi piccoli accorgimenti possono produrre notevoli benefici. Quando iniziamo a lavorare con l’acqua calda, otteniamo energia termica di scarto di qualità superiore e l’acqua è più facile da spostare rispetto all’aria.

Il data center proof-of-concept di IBM presso il Laboratorio di ricerca di Zurigo ha sfruttato le innovazioni nel raffreddamento a liquido a contatto diretto in cui l'acqua calda veniva pompata attraverso microcanali di rame collegati ai chip del computer. Hanno scoperto che l'acqua di alimentazione a 140°F manteneva la temperatura dei chip intorno a 176°F, ben al di sotto del massimo consigliato di 185°F. Questo raffreddamento ad acqua calda ha prodotto una temperatura di "ritorno" post-processo di 149˚F, che rappresentava un livello di energia termica adeguato sia per il riscaldamento che per il raffreddamento dell'edificio attraverso un refrigeratore ad assorbimento, senza richiedere un aumento delle 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 di seguito.

Figura 1: Flusso semplificato del riutilizzo dell'energia di raffreddamento a liquido del data center

Più o meno nello stesso periodo in cui in Svizzera veniva implementato l'esperimento di raffreddamento a liquido ad acqua calda della IBM, eBay stava sperimentando il raffreddamento ad acqua calda a Phoenix nel ben pubblicizzato Mercury Project. Il progetto Mercury prevedeva una parte del data center raffreddata tramite un circuito di acqua refrigerata collegato ai refrigeratori e quindi un secondo data center che utilizzava l'acqua di ritorno del condensatore dal primo data center fino a 87˚F per fornire scambiatori di calore sulla porta posteriore montati su rack. Ovviamente, le temperature hanno superato le temperature dell'aria in ingresso del server consigliate dall'ASHRAE, ma sono rimaste entro l'intervallo consentito di Classe A2. È stato nell'ambito di questa operazione che Dean Nelson e il suo team hanno ideato un sistema di misurazione dell'efficienza del data center basato sulla missione aziendale che lega i costi del data center alle transazioni di vendita dei clienti, dando così forma a quell'illusorio punto di svolta tra efficienza ed efficacia del data center. In questo caso il “cliente” era interno e il calore di scarto non veniva utilizzato come fonte di energia termica ma come fonte di raffreddamento.

Il modello del Progetto Mercury, infatti, offre una visione per il raffreddamento ad acqua calda a basso rischio che potrebbe essere disponibile per molti data center senza dover passare completamente a una qualche forma di raffreddamento a liquido a contatto diretto. Ad esempio, i data center che utilizzano scambiatori di calore con porta posteriore possono funzionare con temperature di mandata superiori a 65°F, che superano facilmente la temperatura di ritorno di un circuito dell'acqua di ritorno per il raffreddamento del comfort dell'edificio. Il prelievo dell'acqua di ritorno è essenzialmente un raffreddamento gratuito e quindi durante il periodo dell'anno in cui l'aria condizionata dell'edificio potrebbe non funzionare ininterrottamente (o non funzionare affatto, amici miei in Minnesota), gli scambiatori di calore della porta posteriore possono essere forniti tramite uno scambiatore di calore a raffreddamento gratuito economizzatore. Lo stesso principio si applica al raffreddamento a liquido a contatto diretto, che dovrebbe essere essenzialmente libero di funzionare in qualsiasi struttura con un carico di raffreddamento confortevole di dimensioni significative.

Più recentemente, IBM Zurigo ha tradotto la prova di concetto in un super computer di produzione completa a Zurigo (LRZ SuperMUC-NG), con un progetto parallelo a Oak Ridge, nel Tennessee. Bruno Michel, responsabile della Smart System Integration presso i laboratori di Zurigo, sostiene che il super computer di produzione è in realtà un impianto a emissioni negative perché tutte le apparecchiature ICT sono alimentate da energia rinnovabile e quindi il riscaldamento e il raffreddamento prodotti dal data center evitano le emissioni. Il profilo di temperatura delle diverse fasi del processo nella Figura 1 varierà a seconda della situazione e dei requisiti del cliente. Ad esempio, per fornire raffreddamento alla rete e alle apparecchiature di storage durante i periodi più caldi quando il freecooling non è disponibile e per fornire energia termica utilizzabile alle reti di teleriscaldamento durante i periodi più freddi, il data center funziona a 149˚F. Per fornire il riscaldamento a pavimento ai clienti residenziali, la temperatura può scendere fino a 131°F e per supportare il freecooling a Oak Ridge funzioneranno 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 apparecchiature di stoccaggio e di rete, con una capacità di raffreddamento totale di 608 kW.

Il progetto IBM si basa su un'innovazione rivoluzionaria volta a ridurre la resistenza termica, consentendo così una temperatura dell'acqua più elevata sul chip, con conseguente miglioramento effettivo delle prestazioni complessive del chip. Tuttavia, una qualsiasi delle varie soluzioni di raffreddamento a liquido a contatto diretto disponibili oggi sul mercato può offrire una parte significativa dei vantaggi del raffreddamento ad acqua calda. Tutti affermano quanto può essere calda l'acqua di alimentazione di "raffreddamento" per mantenere temperature adeguate dei chip e persino migliorare le prestazioni dei chip rispetto al tradizionale raffreddamento ad aria. Anche quando queste temperature potrebbero non essere sufficientemente elevate da sostituire direttamente le fonti di riscaldamento tradizionali (caldaie, ecc.) o alimentare i refrigeratori ad assorbimento, sono comunque sufficientemente elevate da ridurre drasticamente la spinta richiesta alle pompe di calore per portare tale calore a un livello utile. Inoltre, alle temperature del raffreddamento a liquido, non dovrebbero essere necessari refrigeratori o raffreddamento meccanico. La prossima volta esamineremo alcuni dei compromessi tra investimenti e costi operativi associati allo sfruttamento dei vantaggi del raffreddamento ad acqua calda e alcune delle più grandi sfide sociali e infrastrutturali.