Kjøling av KI: Hvordan faseendringsmaterialer kan gjøre en forskjell

Kjøling er avgjørende for fremtidens datasentre

Hvor mange ganger har du skrevet en prompt til ChatGPT eller en annen kunstig intelligens (KI)? Mens den menneskelige hjernen kan svare på mange spørsmål ved å bruke gjennomsnittlig 2 kWh per dag, bruker store språkmodeller, som ChatGPT, rundt 700 000 kWh per dag globalt. Dette energiforbruket forventes å vokse eksponentielt i årene som kommer. Det enorme energiforbruket skjer hovedsakelig i datasentre, som har fått en stadig større rolle i samfunnet etter at KI (AI på engelsk – artificial intelligence) ble et verktøy vi bruker daglig.

Datasentre fungerer i praksis som elektriske varmeovner som genererer store mengder varme. Denne varmen må fjernes, både for å ikke gå ut over brannsikkerheten og for å sikre optimal ytelse. Varmeproduksjonen fører til et  behov for elektrisk kjøling som kan variere fra 350 til 2 500 kWh per dag, avhengig av geografisk plassering og kjølesystem. Når det gjelder det elektriske forbruket til et enkelt datasenter, går i gjennomsnitt opptil 50 % av strømforbruket til kjølesystemet, som illustrert i figuren nedenfor.

Akkurat som hjernen vår trenger vann for å fungere, trenger også ChatGPT det: å generere 10–50 svar krever 5 dl vann for å kjøle ned datasenteret. For å håndtere all overskuddsvarmen fra datasentre verden over kreves enorme vannmengder, i tillegg til andre ressurser som brukes i kjøling. KI og store språkmodeller er fantastiske verktøy, men det er også vårt ansvar å gjøre dem bærekraftige. Termisk styring og utnyttelse av overskuddsvarme er løsninger i denne prosessen. Overskuddsvarme fra datasentre bør for eksempel brukes til oppvarming av boliger gjennom fjernvarme eller til industrielle prosesser med varmebehov.

Ettersom global oppvarming gjør termisk styring enda mer utfordrende (spesielt på kjølesiden), opplever regioner som Skandinavia økte krav til kjølesystemer i datasentre. Det finnes mer enn 11 000 datasentre i verden, hvorav 18 ligger i Norge (se kartet nedenfor). I årene som kommer vil det bli bygget mange flere. I lys av denne utviklingen jobber Energidepartementet med regelendringer som vil kreve at alle datasentre over 2 MW gjennomfører kost-nytte-analyser for utnyttelse av overskuddsvarme. I denne sammenhengen er innovative termiske løsninger avgjørende for å oppnå bærekraftig og kostnadseffektiv håndtering av overskuddsvarme i datasentre, der effektiv og bærekraftig kjøling ikke lenger er valgfritt, men påkrevd.

Begrensninger ved konvensjonell kjøling i datasentre

I dag benytter de fleste datasentre i Europa luft- og vannbaserte frikjøling for å håndtere overskuddsvarme. Disse teknologiene er avhengige av flere faktorer for å sikre kostnads- og energieffektivitet, som utetemperaturer, kvalitet og tilgjengelighet på luft og vann, integrering av elektriske reservekjølesystemer og tilgjengelig plass.  Fleksibiliteten til både luft- og vannbaserte kjølesystemer begrenses både av utfordringer i å opprettholde kontroll på nøyaktig temperatur og at de er avhengige av elektrisitet. Dette gjør dem mindre tilpasset kraftnettet.

Termisk energilagring (TES) er en veletablert teknologi som kan øke systemtilpasningsevnen og forbedre fleksibiliteten. TES fungerer ved å lagre varme eller kulde når dette er tilgjengelig eller når det kan genereres til lav kostnad (for eksempel gjennom power-to-heat-løsninger), og frigjøre varmen eller kulden i perioder med høyere etterspørsel eller økte produksjonskostnader.

En av de mest brukte TES-teknologiene er varmtvannstanker, også kjent som akkumulatortanker. Disse systemene har imidlertid to store begrensninger: det er vanskelig å opprettholde nøyaktig temperaturkontroll, og de krever store volum, noe som kan være utfordrende å håndtere. Innen termisk styring er det spesielt viktig med nøyaktig temperaturkontroll for å sikre at varme og kulde lagres og leveres ved ønskede inn- og utgangstemperaturer. For datasentre er det viktig å minimere teknologienes fotavtrykk for å utnytte plassen effektivt, spesielt siden de ofte samler seg i små, tett befolkede områder i hver region, selv om de er godt spredt globalt.

Denne konsentrasjonen skaper flere utfordringer. I Norge ligger for eksempel 6 av landets 18 datasentre i Oslo, hvor 20 % av befolkningen bor. Det internasjonale energibyrået (IEA) har bemerket at en slik konsentrasjon er karakteristisk for datasenterindustrien (som vist i figuren ovenfor), og påpeker at det øker presset på både ressurser og plass. I tett befolkede områder kan begrenset tilgang og kvalitet på ressurser – som luft og vann til kjølesystemer – gjøre effektiv kjøling mer krevende. Derfor er det spesielt verdifullt med alternative løsninger som TES med faseendringsmaterialer (PCM), som kombinerer mindre fysisk fotavtrykk med større tilpasningsevne.

PCM-revolusjonen: Kompakt og effektiv kjøling av datasentre

PCM-er er materialer som absorberer og frigjør store mengder energi (latent varme) når de skifter mellom fast og flytende tilstand. Dette gjør dem svært effektive for energilagring. PCM-er kan lagre termisk energi med mye høyere tetthet og innenfor et smalere temperaturområde enn lagringsmedier for følbar varme (som vann). PCM-er tilbyr også løsninger som er opptil fire ganger mer kompakte. Den kompakte utformingen gjør PCM-er til en ideell løsning for datasentre. PCM-er gir nøyaktig temperaturkontroll fordi de lagrer og leverer varme/kulde ved en konstant temperatur (som tilsvarer materialets smelte- eller størkningspunkt).

Med sin evne til å reagere raskt på temperaturendringer kan PCM-er raskt tilpasse seg nye forhold, sikre at datasentre opererer innen optimale temperaturområder, og samtidig minimere energiforbruk og avhengighet av elektriske kjølesystemer. Dette gjør PCM-basert termisk lagring til en effektiv løsning som ikke bare reduserer driftskostnader, men også gjør datasentre mer bærekraftige og fleksible i sin energibruk.

SINTEF Energi leder et EU-samarbeidsprosjekt, La-Flex, som undersøker hvordan PCM-er kan revolusjonere kjøling i datasentre. Ved å integrere TES-systemer basert på PCM, kan datasentre dra nytte av både fleksibilitet og effektivitet. Dette reduserer deres miljøavtrykk betydelig. Disse systemene gjør det mulig for datasentre å delta i topplastreduksjon (peak shaving), som bidrar til å balansere strømforbruket. Vi har sett at datasentre har en svært høy geografisk konsentrasjon, noe som har betydelige konsekvenser for lokale strømnett. Denne strategien reduserer derfor ikke bare driftskostnadene for datasentre, men avlaster også presset på strømnettet, og bidrar til et grønnere energisystem totalt sett.

PCM-TES-systemer gir en annen interessant mulighet: deltakelse i markeder for hjelpetjenester* og bidra til å stabilisere strømnettet samtidig som de skaper nye økonomiske muligheter. Ved å tilby fleksibel kjølekapasitet på forespørsel kan datasentre reagere på ubalanser i strømnettet forårsaket av variasjoner fra ny fornybar energiproduksjon, som vind- eller solkraft. Gjennom La-Flex-prosjektet tester vi hvordan denne integrasjonen kan støtte strømnettet ved å levere raskt tilgjengelige tjenester som frekvensregulering**, i tråd med strategien beskrevet i grafen nedenfor.

Ved å delta i systemtjenester kan datasentre generere ekstra inntekter samtidig som de styrker nettets robusthet og muliggjør et renere og mer effektivt energisystem. Etter hvert som denne teknologien modnes, har den potensial til ikke bare å optimalisere driften av datasentre, men også å bidra betydelig til overgangen til bærekraftige og fleksible energisystemer som integrerer termisk lagring. Dette legger grunnlaget for en fremtid der datasentre spiller en nøkkelrolle i energifleksibilitet og tilbyr bærekraft, både i miljømessig og økonomisk forstand, noe som vil bli et krav for storskala sentre, slik Norges nylig vedtatte regelverk viser.

Fremtiden for datasentres bærekraft: PCM-er og mer

La-Flex-prosjektet gir et betydelig bidrag i arbeidet med å forbedre bærekraften til kjølesystemene i datasentre. Gjennom dette forskningsprosjektet skal SINTEF Energi lede og koordinere utviklingen av en PCM-basert kaldlagringsenhet, som vil bli levert av Cartesian AS, en bedrift med utspring fra SINTEF. Denne banebrytende enheten skal analyseres grundig ved DTU (Danmark) for å evaluere hvordan den kan brukes i datasentre. I tillegg vil AI-nergy i Danmark utforske hvordan teknologien kan delta i systemtjenester, mens THWS i Tyskland skal gjøre en omfattende tekno-økonomisk vurdering for å se om teknologien er gjennomførbar og hvilke innvirkninger den vil ha. Andre partnere fra byggebransjen, som KLP Eiendom (Trondheim), skal følge opp prosjektet.

La-Flex presenterer en innovativ løsning, men er bare én av mange tilnærminger SINTEF forsker på for å gjøre datasentre mer bærekraftige. I tillegg til PCM-TES utvikler SINTEF teknologier som nedsenkningskjøling, hvor elektroniske komponenter senkes ned i en termisk ledende væske for å forbedre kjøleeffektiviteten dramatisk. SINTEF undersøker også andre bærekraftige kjølemetoder, som å gjenbruke overskuddsvarme til bruk i fjernvarmenettverk.

Med et økende antall datasentre og større energibehov, vil behovet for innovative og effektive løsninger for termisk styring bli stadig viktigere. Med La-Flex og andre initiativer er SINTEF i fronten når det gjelder å utvikle teknologier som ikke bare optimaliserer energibruken, men som også bidrar til en mer bærekraftig og sammenkoblet energifremtid.

La-Flex prosjektet er delvis finansiert av EU og Norges Forskningsråd.