Как работает дата-центр двойного назначения: 2 подхода и реальные кейсы

В 1984 году интенсивность мирового интернет-трафика составляла около 15 ГБ в месяц. К 2014 году среднемесячный интернет-трафик из расчета на одного пользователя достиг 15 гигабайт. Сегодня данный показатель гораздо выше вследствие роста числа мобильных устройств и цифровых сервисов, благодаря которым в сети появилось около 5 миллиардов пользователей.

По мере интернетизации всего и вся трафик будет стремительно расти, увеличивая нагрузку на инфраструктуру дата-центров. Данный тренд также ведет к росту количества электроэнергии, необходимой для работы ЦОД. К сожалению, значительная часть электричества, потребляемого дата-центрами, генерируется на «грязных» угольных электростанциях и электростанциях на природном газе.

Согласно расчетам Международного энергетического агентства (МЭА), дата-центры по всему миру уже потребляют примерно 200-250 ТВт*ч электроэнергии каждый год (около 1% общемирового спроса на электроэнергию), становясь причиной 0,3% глобальных выбросов CO2. Это больше, чем энергопотребление некоторых стран. Ожидается, что к 2025 году, с ростом IP-трафика и объема больших данных, энергопотребление ЦОД также существенно вырастет, что значительно усугубит проблему «углеродного следа».

Решить проблему позволяет креативный подход к использованию инфраструктуры ЦОД. Например, общеизвестно, что большая часть энергопотребления ЦОД приходится на серверы, которые обрабатывают данные. Но серверы, в свою очередь, производят тепло и нуждаются в охлаждении. Охлаждение серверов также требует большого количества электроэнергии, и в ходе данного процесса генерируется значительное количество избыточного тепла.

Большая часть генерируемого серверами тепла в настоящее время попадает в окружающую среду, расходуясь впустую. Но если организовать рекуперацию тепла, можно повысить энергоэффективность ЦОД и снизить его «углеродный след», превращая дата-центр в своего рода инструмент двойного назначения.

Еще одна набирающая обороты концепция предполагает использование систем ИБП дата-центров для поддержки возобновляемых источников энергии и центральной электросети. Рассмотрим оба подхода к созданию ЦОД двойного назначения, анализируя реальные проекты.

Рекуперация тепла, генерируемого серверами внутри ЦОД

Стремясь компенсировать растущую нагрузку на электросеть со стороны ЦОД, компании отказываются от устаревших дата-центров в пользу передовых гипермасштабных серверных ферм, оптимизируя вычислительные процессы, используя хладагенты с пониженным ПГП (потенциал глобального потепления) и переходя на энергоэффективные системы, включая модули изменения скорости двигателей, приводящих в действие вентиляторы или компрессоры для циркуляции хладагента.

Google, например, утверждает, что подобные меры позволили снизить показатель PUE (эффективность использования энергии, определяемая как результат деления общего энергопотребления дата-центра на энергопотребление вычислительных систем) всех дата-центров поискового гиганта до 1,12, что очень близко к идеалу (1).

Если PUE дата-центра равен 1, получается, что IT-оборудование использует 100% электричества, и нет потерь в виде тепла. Но если PUE равен 1,8, то на каждые 1,8 Вт, поступающие здание, приходится 0,8 ватта, которые расходуются впустую. Как правило, данная энергия покидает здание в виде тепла.

Но с помощью подобного тепла вполне можно удовлетворять энергетические потребности объектов рядом с ЦОД. Достаточно организовать рекуперацию излишков тепла с последующей трансформацией в пар для обслуживания внешней нагрузки или в электрическую энергию, возвращающуюся в ЦОД. В случае если температура тепла слишком низкая, рекомендуется использовать тепловой насос для повышения уровня до 60+ градусов Цельсия.

Повторное использование тепла, генерируемого в ЦОД, требует внедрения ряда технологий и систем, включая, например, блоки рекуперации тепловой энергии и станции распределения энергии между потребителями, нуждающимися в ней для организации промышленных / коммерческих процессов или отопления / теплоснабжения жилфонда.

Теплу ЦОД можно найти множество применений, начиная от чего-то простого вроде обслуживания плавательных бассейнов и прачечных и заканчивая вертикальным земледелием или удовлетворением потребностей в тепле целой больницы.

Хотя возможности практически безграничны, ведущие предприятия сосредоточили свои усилия по рекуперации тепла ЦОД для решения 2 конкретных задач: обогрев жилых домов и теплоснабжение офисных зданий.

Компании Facebook и H&M повторно используют тепло своих дата-центров для обогрева тысяч близлежащих домов и квартир в Дании. Корпорация Amazon построила установку рекуперации тепловой энергии ЦОД, используемой повторно в штаб-квартире гиганта электронной коммерции в Сиэтле. Аналогичным образом Danfoss планирует использовать избыточную тепловую энергию своих дата-центров, чтобы на 25% закрыть потребности в тепле собственной штаб-квартиры.

Подобные инициативы сопряжены с определенными препятствиями. Во-первых, передача тепла на значительные расстояния является крайне проблематичной. Следовательно, потребители должны находиться в непосредственной близости от дата-центра.

Во-вторых, развертывание инфраструктуры для повторного использования тепла требует больших первоначальных инвестиций. По оценкам экспертов, соответствующие усовершенствования дата-центра могут почти удвоить стоимость строительства ЦОД. Однако впоследствии дата-центр, повторно использующий излишки тепла, также может стать источником прибыли для бизнеса. Работая круглосуточно и генерируя постоянный поток тепла, дата-центры де-факто представляют собой высокостабильный и надежный «генератор».

Использование систем ИБП дата-центров для поддержки возобновляемых источников энергии и центральной электросети

Около 4 сотен ветряных электростанций в Ирландии сегодня в совокупности производят примерно 35% от общего количества электроэнергии, используемой на острове (ожидается, что эта цифра вырастет до 80% к 2030 году). Применение ВЭС для закрытия потребностей предприятий и домохозяйств помогает коммунальным предприятиям избегать выбросов углекислого газа и других парниковых газов при сжигании ископаемого топлива для выработки электроэнергии.

Интенсивность потоков ветра колеблется в течение дня и меняется от сезона к сезону. Ирландия не является исключением. Это приводит к изменчивости потока электроэнергии, вырабатываемой местными ВЭС. По мере увеличения поставок электричества из возобновляемых источников энергии локальным энергетическим компаниям становится все сложнее балансировать нагрузку, поскольку им нужно вырабатывать ровно столько электроэнергии, сколько потребляют пользователи. Ни больше, ни меньше.

Блоки литий-ионных аккумуляторов на кампусе ЦОД Microsoft в Дублине станут частью решения этой проблемы в конце 2022 года. Эти батареи, которые обычно обеспечивают резервное электропитание дата-центра в случае чрезвычайной ситуации, были сертифицированы, испытаны и одобрены для подключения к центральной электросети таким образом, чтобы помочь местным энергетическим компаниям в обеспечении бесперебойной работы, когда спрос превышает предложение электроэнергии, генерируемой в других местах за счет ВЭС , солнечных батарей и иных источников.

Система ИБП в дублинском кампусе ЦОД Microsoft поддерживает новую технологию, позволяющую взаимодействовать с электросетью в режиме реального времени. Данная технология, как ожидается, существенно снизит выбросы углерода в энергетическом секторе.

В частности, согласно расчетам экспертов, если интерактивные системы ИБП заменят механизмы балансировки нагрузки (поддерживая ветряки и СЭС) на электростанциях в Ирландии и Северной Ирландии, работающих на ископаемом топливе, можно будет избежать около двух миллионов метрических тонн выбросов углекислого газа в год. Речь идет о примерно одной пятой от общего объема выбросов энергетического сектора.

Более того, полагаясь на новую технологию ИБП, конечные потребители по всей Ирландии сэкономят десятки миллионов долларов на топливе и других затратах, необходимых для балансировки нагрузки на электростанциях, работающих на угле и природном газе.

Инженеры Microsoft уже прорабатывают возможности предоставления услуг по стабилизации сети с помощью технологии взаимодействия ИБП с центральной электросетью в своих дата-центрах по всему миру, чтобы ускорить процесс уменьшения «углеродного следа» собственного бизнеса и энергетической инфраструктуры .

Данная инициатива является частью обязательства компании по сокращению выбросов углерода к 2030 году, которые также включают в себя эксперименты в дата-центрах с жидкостным иммерсионным охлаждением серверов, водородными топливными элементами для резервного производства электроэнергии и применением охлаждающих пластин для размещения серверов в стойках с повышенной плотностью.

Microsoft реализует данную инициативу в сотрудничестве с поставщиком силового оборудования для дата-центров Eaton, ирландским оператором систем передачи электроэнергии EirGrid, а также поставщиком энергетических услуг и решений Enel X. В дублинских дата-центрах корпорации применяется система EnergyAware от Eaton, упрощающая передачу электричества обратно в центральную сеть. Системы Enel X, в свою очередь, используются для объединения ИБП промышленных и коммерческих потребителей электроэнергии в виртуальные электростанции, способные прийти на выручку центральной сети в часы пиковой нагрузки.

Готовые к работе в тандеме с центральной электросетью ИБП EnergyAware от Eaton могут реагировать на управляющие сигналы от энергоснабжающей организации и подавать электроэнергию в местную сеть в случае возникновения у последней проблем с обслуживанием нагрузки, обусловленных скачками спроса или провалами поставок от ветряных или солнечных электростанций. Иными словами, с помощью данной системы ЦОД превращается в актив двойного назначения.

Microsoft не раскрыла, насколько велика емкость ее системы литий-ионных батарей и сколько электричества она готова возвращать в центральную сеть. Компания управляет несколькими ЦОД на кампусе Grange Castle в южной части Дублина и планирует построить еще два к 2023 году. Общая IT-нагрузка объектов официально не объявлялась, но независимые эксперты предполагают, что речь идет о совокупной мощности не менее 255 МВт.