Возможно ли перенаправлять и эффективно применять уже выработанное тепло?

Стремительное развитие технологий передачи данных, искусственного интеллекта, облачных сервисов и цифровых денежных систем повлекли за собой кардинальные изменения в качестве человеческой жизни, что в свою очередь привело к значительному росту потребления энергетических ресурсов.

Сегодня высокопроизводительные вычислительные системы используют до 4% от общего объема энергопотребления планеты. В зависимости от масштаба проекта, затраты на потребление могут достигать запредельных значений. Например, в день одной средней по размеру промышленной майнинг-ферме требуется столько же электроэнергии, сколько и небольшому городу с 5 тысячами жителей. Энергия, расходуемая на охлаждение оборудования, занимает от 5% до 70% от общего потребления. Под охлаждением подразумевается процесс отвода тепла от оборудования, позволяющий поддерживать необходимый для правильного функционирования температурный режим. При этом часть электричества, затраченная на охлаждение, преобразуется в тепло и выбрасывается в окружающую среду. Возникает закономерный вопрос: возможно ли перенаправлять и эффективно применять уже выработанное тепло?

Идея вторичного использования (утилизации) ресурсов, не находящих прямого применения по назначению, появилась еще в глубокой древности. В частности, в сельском хозяйстве всегда широко практиковалось повторное использование органических отходов, получаемых в процессе сельскохозяйственной и бытовой деятельности. Начиная со второй половины 20-го века, переработку отходов стали рассматривать как одно из средств борьбы с загрязнением окружающей среды и рационального использования природных ресурсов и энергии.

С течением времени список энергоресурсов, подходящих для утилизации, расширяется, а способов утилизации становится все больше. Например, в одном из районов Токио, для теплоснабжения района установлена система DHC, использующая тепло необработанных сточных вод. Это позволяет уменьшить потребление энергии на 20% и выброс СО2 и NOx на 40 и 37% соответственно.

Тепло, вырабатываемое вычислительными устройствами, ничем не отличается от тепла сточных вод. Однако, чтобы его использовать, необходимо “заключить” имеющуюся энергию в жидкость. Стандартное воздушное охлаждение, распространенное повсеместно, не совместимо с технологией утилизации, ввиду низких теплофизических свойств воздуха. Иными словами, в процессе передачи тепла между воздушными массами, тепло будет постепенно рассеиваться, пока полностью не перейдет в атмосферу.

На данный момент существует только один способ охлаждения вычислительного оборудования, способный обеспечить сбор тепла в необходимом для последующей утилизации состоянии. Это иммерсионное охлаждение. Данный способ не является новым, но только в течение последних 5 лет начал набирать популярность. Это обусловлено потребностью в поиске более эффективного и экономичного охлаждения, а также ростом технической грамотности специалистов.

Иммерсионное охлаждение — процесс отвода тепла путем погружения оборудования в диэлектрическую жидкость. За счет полного погружения тепло равномерно отводится от всех элементов устройств.

Стоит отметить, что иммерсионное охлаждение создает благоприятную среду для эксплуатации оборудования, поддерживая оптимальную температуру каждого из компонентов устройств. Это положительно влияет на срок службы электроники и значительно уменьшает риски простоя оборудования в случае перегрева или выхода из строя. Учитывая специфику работы вычислительных систем, вынужденные перерывы и форс-мажоры крайне негативно сказываются как на прибыли пользователя, так и на скорости выполнения поставленных задач.

Принцип применения достаточно прост. Оборудование опускается в емкость с теплоносителем. С помощью насоса нагретый от оборудования теплоноситель циркулирует через теплообменник, там он охлаждается с помощью воды или иной охлаждающей жидкости, например, раствора антифриза. Вода, циркулируя по внешнему контуру, забирает тепло от теплоносителя и попадает в градирню, где охлаждается вентиляторами и возвращается обратно в теплообменник. А для полезной утилизации выработанного тепла потребуется всего лишь подключение установки к системе теплоснабжения.

Таким образом, прежде неиспользуемая энергия поможет значительно сократить расходы на отопление или подогрев любой инфраструктуры, которая ранее эксплуатировала центральное теплоснабжение. Технология утилизации тепла может применяться в совершенно разных целях: обогрев пола, бассейна, пруда, террариума или целиком всего дома, включая горячую воду из крана. При большей выработке тепла стоит задуматься о внедрении установок на иммерсионном охлаждении в производство: отопление складских помещений или подключение к калориферам для сушки древесины.  

Но перейдем от слов к цифрам. Утилизация тепла выгодна и вот почему. Рассчитаем энергозатраты и теплоотдачу в денежном эквиваленте на примере одного из самых “прожорливых” типов оборудования — майнингового. Криптоферма из 192 устройств ASIC Antminer S9, работающая на базе иммерсионного охлаждения, за квартал потребляет электроэнергию на сумму 37,241$ (по данным на сентябрь 2018 года). С учетом тарифа 0,05$ за 1 кВт потенциальная выручка (экономия) при использовании отводимого тепла составит 10,483$ за квартал. Иными словами, возникает дилемма: вернуть 28% от уже потраченных средств или выбросить их в атмосферу.

Очевидно, что далеко не каждое производство способно найти применение такому количеству тепла, а значит появляется возможность использовать его в предпринимательской деятельности. Организовав каналы поставки, вычислительное оборудование в совокупности с системой иммерсионного охлаждения превращается в своего рода промышленную котельную. Таким образом, помимо основных задач, выполняемых оборудованием, создаются благоприятные условия для продажи тепла, например, поселкам или дачным кооперативам.

На данный момент ниша утилизации тепла на рынке систем иммерсионного охлаждения занята несколькими компаниями. Одно из решений, разработанное компанией BiXBiT, полностью соответствует стандартам теплоснабжения жилых комплексов, обеспечивая горячей водой температурой не ниже 50°. Также при отсутствии возможности применения полного объема выработанного тепла предусмотрена частичная утилизация. Это делает технологию гибкой и доступной для проектов разного масштаба — от подогрева полов частного дома до отопления здания многоэтажного бизнес-центра.

Ежегодно новое поколение устройств сменяет старое, требования к производительности растут, но неизменным остается одно: экономическая составляющая. Остро ставятся вопросы эффективности расходуемых ресурсов и обоснования затрат. Возможность перенаправлять выделяемое тепло и использовать его по назначению делает технологию утилизации как никогда актуальной на пути к достижению стратегических целей, как для индивидуального пользователя, так и для крупных корпораций.

Детальные расчеты упущенной потенциальной прибыли при простоях оборудования, а также экономическое обоснование целесообразности использования иммерсионного охлаждения приведены в документе, подготовленном агентством стратегического и экономического развития “АСЭР”. 

235 +