Tenker du på kryptovaluta og strømmetjenester når du hører ordet datasenter? Det er du ikke alene om. Men de er så mye mer enn det.
Ja, de huser favorittserien din på Netflix. Men alt i fra videomøter til autonome kjøretøy, smarte byer, nettbanktjenester og pasientjournaler trenger beregningskraften til datasentre over hele verden.
Det siste tiåret har behovet for regnekraft økt eksponentielt, noe som gjør datasentre til en raskt voksende industri. De er en viktig grunn til at vi kan leve våre moderne, digitaliserte liv, og er nødvendige for mer effektive tjenester og overgangen til en grønn økonomi. De reduserer for eksempel antall reiser ved å legge til rette for økt bruk av e-møter, og utvikler smartteknologi, som gjør livene våre både grønnere og mer komfortable.
Alt dette er vel og bra, men de har også en bakside: Et datasenter bruker enorme mengder energi.
De bruker allerede mer enn 2 % av verdens elektrisitet, og bidrar til 2 % av verdens CO2-utslipp. Det tilsvarer hele den globale luftfartsindustrien. Dette står i stor kontrast til European Green Deals’ mål om å gjøre datasentre klimanøytrale innen 2030.
Datasentrene må redusere klimaavtrykket sitt hvis vi skal klare å bremse klimaendringene. Og mange ser på Norge som et land med både infrastrukturen og naturressursene til å gjøre nettopp det.
Høringssvar: Endring i energilovens krav for utnyttelse av spillvarme
Vil du lære enda mer om hvordan datasentre kan bli mer miljøvennlig? Sjekk ut Technoports innovasjonsrokost om bærekraftige datasentre. Der snakker både SINTEF-forsker Hanne Kauko, næringslivet og Olje- og Energidepartementet om hvordan datasenter kan redusere klimafotavtrykket sitt.
Hvordan kan datasentre bli mer energieffektive enn de er i dag?
Akkurat som enheten du leser denne artikkelen på, trenger datasentre strøm for å fungere. De trenger bare MYE mer av den. Og akkurat som at datamaskinen har en vifte for å hindre at den overopphetes, trenger datasentre et kjølesystem.
Hva er et datasenter?
Et datasenter er i hovedsak et dedikert område som rommer datamaskinsystemer for behandling, distribusjon og lagring av data. Det typiske datasenteret består av IT-utstyr som servere, nettverksutstyr som rutere og brytere, og lagringssystemer.
De er vanligvis organisert med serverstativer plassert i korridorene. I tillegg inneholder datasentre kjøle- og ventilasjonssystemer, ekstra strømforsyning, sikkerhetssystemer, brannvern og overvåking.
Fra et klimaperspektiv er ikke høy energibruk og kjølesystemer problemer i seg selv. Problemet er at de fleste datasentre har ineffektive kjølesystemer og bruker unødvendig mye energi. I tillegg kan varmen kjølesystemene tar ut av datasentrene ha stor verdi, men den brukes som regel ikke til noen ting i dag.
I tillegg går de fleste datasentrene på ikke-fornybar strøm. Derfor kan det godt være at ditt neste videomøte bruker strøm som er produsert av kull, olje eller gass. Selv om du deltar på møtet med en mobil enhet eller PC som bruker strøm fra vann-, vind- eller sol.
Men hva om videomøtet strømmes fra en server drevet av fornybar energi, som har mer energieffektiv kjøling og som utnytter overskuddsvarmen? La oss ta en nærmere titt på hvordan datasentre kan gå fra klimafiende til klimavenn, og hvorfor mange mener Norge kan være det perfekte stedet å bygge dem.
Fordeler og utfordringer med datasentre i Norge
Norges geografi og naturressurser har gjort oss til en storprodusent av fornybar energi. Faktisk er 98 % av Norges elektrisitetsproduksjon fornybar, og Norge har noen av de laveste elektrisitetsprisene i Europa. I tillegg gir det kjølige klimaet et stort potensial for utnyttelse av overskuddsvarme (også kalt spillvarme) og svært effektiv kjøling.
Disse fordelene blir lagt merke til i bransjen, og virker tiltrekkende på ledende datasenterselskaper som Microsoft og Facebook. Det kan legge grunnlaget for en ny norsk industri.
Men en vekst i datasenternæringen i Norge kommer ikke uten utfordringer, og vi må gjøre mer enn å lene oss på kaldt klima og billig, ren strøm om vi virkelig skal lage mer miljøvennlige datasenter. I tillegg til å gjøre datasentrene enda mer energieffektive, og å utnytte spillvarmen bedre, vil flere datasentre føre til utfordringer for kapasiteten i strømnettet. Mellom 2018 og 2019 kom om lag 50 % av nye forespørsler om tilkobling til strømnettet fra datasentre, og NVE anslår at strømforbruket fra datasentre vil øke fra 0,8 TWh (terrawattimer) i 2019 til mellom 3 og 13 TWh i 2040. I tillegg vil økt etterspørsel fra nye landbaserte industrier som batteriproduksjon, omlegging til elektrisk drift av offshore olje- og gassplattformer og økt behov fra husholdninger når det gjelder f.eks. lading av elbiler, føre til at vi må oppskalere strømkapasiteten.
I dette blogginnlegget skal vi fokusere på selve datasenteret, men om du er interessert i hvordan strømnettet kan tilpasses fremtiden anbefaler vi å sjekke ut forskningssenteret CINELDI.
Hvorfor bruker datasentrene så mye energi?
Det enkle svaret er beregningskraft og nedkjøling.
Serverne krever store mengder energi for databehandling. Denne energien spres som varme inne i serverrommet. Og fordi datautstyr er følsomt for høye temperaturer, må varmen fjernes kontinuerlig.
Som vi ser i figuren ovenfor står energien som brukes på avkjøling for en stor del av det totale energiforbruket i datasentre.
Energibehovet for kjøling avhenger av flere faktorer, for eksempel type kjølesystem og hvor datasenteret er lokalisert. Dvs. at kaldere klima fører til redusert energibehov for kjøling.
Effektiviteten til datasentre beskrives ofte gjennom PUE-verdier. Effektive datasentre kan oppnå PUE-verdier under 1,2. Det er imidlertid lettere å oppnå lave verdier når omgivelsestemperaturen er lavere, siden lite eller ingen energi må brukes på mekaniske kjølesystemer. Dette betyr at datasentre i Norden har en naturlig fordel.
PUE (Power Usage Effectiveness)
En målestokk som ofte brukes til å beskrive effektiviteten til datasentre. Den setter det totale energiforbruket i sammenheng med energiforbruket til IT-utstyret:
PUE=totalt energiforbruk i datasentret/energiforbruket til IT-utstyret
En studie viser imidlertid at nordiske datasentre i gjennomsnitt oppnår en PUE-verdi på 1,71, som indikerer at det fremdeles er mye å gå på når det gjelder forbedring av energieffektiviteten. Dette kan gjøres ved å velge mer effektiv kjøleteknologi.
Hvordan valg av kjøleteknologi kan redusere datasentrenes klimaavtrykk
Kjøleteknologi spiller en viktig rolle i arbeidet med å gjøre datasentre mer energieffektive. Et effektivt kjølesystem reduserer ikke bare energiforbruket, men kan forbedre utnyttelsen av overskuddsvarmen ved å fange den ved enda høyere temperaturer.
Valg av kjøleteknologi styres vanligvis av investeringskostnader og behovet for høy varmefluks fra serverne..
Oversikt over ulike kjølesystemer for datasentre
Luftbaserte kjølesystemer
I disse systemene slippes kjølig luft ut i serverrommene. Serverstativene er ofte plassert i såkalte kalde og varme korridorer, for å kunne kontrollere luftstrømmen og eliminere blanding av kald og varm luft.
På grunn av lav varmekapasitet og varmeovergangsmotstand egner ikke luft seg så godt til å overføre varme, og dette resulterer i høyt energiforbruk, begrensninger på hvor tett serverne kan plasseres og en relativt lav spillvarmetemperatur.
Væskebaserte kjølesystemer bruker en væske som vann til å spre varme. Dette kan gjøres ved å la vann sirkulere i mikrokanaler og utveksle varme i varmevekslere med kjøleplater som er i direkte kontakt med serverkomponentene.
Generelt sett har vann og væsker betydelig bedre varmeoverføringsegenskaper enn luft. Væskebaserte kjølesystemer muliggjør mer kompakte datasentre, redusert energibruk på avkjøling og høyere spillvarmetemperaturer.
Tofaset kjøling er en kommende kjøleteknikk for datasentre. Her fordamper det flytende kjølemiddlet varmeveksleren med kjøleplate og den avgitte energien lagres som latent varme. Dette gir enda høyere varmefluks og returtemperatur på kjølemiddelet og gjør det mulig med systemer med høyere tetthet.
De fleste datasentrene bruke konvensjonelle luftbaserte kjølesystemer som er enkle og billige. Ulempen er at de ikke er særlig effektive og derfor fører til høyt energiforbruk og lave spillvarmetemperaturer.
Markedets krav om å bygge datasentre som har enda mer beregningskraft har resultert i kjølemetoder som kan fjerne mer varme per areal.
Eksempler på dette er væskebaserte kjølesystemer som allerede er på markedet, og tofasede kjølesystemer som er en teknologi i utvikling. De nye kjølesystemene kan levere varme på 60–80°C. Dette er varme vi kan bruke direkte og til mange formål.
Fra et generelt energieffektivitetsperspektiv bør valget av kjøleteknologi ikke bare være basert på kostnads- og varmeutstrålingsrater, men også på mulighetene for utnyttelse av spillvarme.
Utnyttelse av spillvarme – hva er mulighetene?
Uansett hvor energieffektivt et datasenter er, blir nesten alt strømforbruket til slutt spillvarme. I dag benyttes denne varmen veldig sjelden. Men den kan faktisk være en svært verdifull ressurs hvis den utnyttes og brukes riktig.
Utfordringen er at varmen har lave temperaturer, og derfor er vanskelig å utnytte. Men som vi har sett, vil valget av kjøleteknologi kunne gjøre det enklere å benytte seg av den.
Vanligvis er det to måter å utnytte spillvarmen på: Direkte bruk, eller konvertering til andre energiformer eller temperaturnivåer, som å:
- Øke temperaturen – for eksempel med en varmepumpe
- Produsere kjøling – for eksempel med sorpsjonskjøling
- Konverter til elektrisk kraft – for eksempel med en organisk Rankine-prosess
Som vist i tabellen nedenfor finnes det mange mulige bruksområder for spillvarme fra datasentre. Ved å velge mer effektive kjøleteknologier åpnes det opp for enda flere bruksområder.
| Kjøleteknikk og spillvarmetemperaturer | ||||
| Luftkjølt | Vannkjølt | Tofase-kjølt | ||
| Teknologi | 15–45°C | 60°C | 75°C | |
| HVAC/varmt vann i husholdninger | Ja | Ja | Ja | |
| Fjernvarme | Trenger varmepumpe | Mulig | Mulig | |
| Forvarming av matevann i kjeler | Nei | Ja | Ja | |
| Sorpsjonskjøling | Nei | Ja | Ja | |
| Organisk Rankine-prosess | Nei | Ja | Ja | |
| Avsalting | Nei | Ja | Ja | |
| Behandling av biomasse | Ja | Ja | Ja | |
| Matproduksjon | Ja | Ja | Ja | |
Byområder
I byområder er det store muligheter for å bruke overskuddsvarme fra datasentre som fjernvarme, da varmepumpeteknologien kan oppgradere spillvarmen til ønsket temperaturnivå. Denne muligheten har vekket stor interesse i industrien og nå settes flere prosjekter i gang, for eksempel bruk av spillvarme fra datasenter som fjernvarme i Oslo. I dette prosjektet jobber SINTEF med hvordan urbane varmekilder som datasentre kan spille rollen som urbane varmesentraler og forsyne lokale strømnettverk med varme.
Andre bruksområder er oppvarming av bygninger og varmtvann uten å måtte bruke varmepumper.
Datasentre i distriktene
For en del datasenteroperatører så er det ofte ønskelig å etablere seg i landlige områder på grunn av god tilgang til plass, elektrisk kraft og muligheten til å oppnå effektiv kjøling ved å bruke de naturlige forholdende rundt datasenteret. For eksempel frikjøling i fjell, eller tilgang til elver eller sjøvann. Ulempen er at man i disse tilfellene ofte mangler potensielle mottakere av overskuddsvarmen, fordi datasentrene ligger så langt unna annen bebyggelse.
Her er det derfor et behov for å skape bevissthet blant datasenteroperatører, industri og lokale myndigheter om spillvarmepotensialet fra datasentre. Etablering av datasentre i distriktene i samlokalisering sammen med relevant industri som har varmebehov kan føre til betydelige besparelser i energiforbruk og klimautslipp. Eksempler på utnyttelse av spillvarme til industrielle formål inkluderer prosessering av biomasse, matproduksjon i drivhus og landbaserte oppdrettsanlegg.
Datasentrenes rolle i fremtiden
Den voksende datasenterindustrien vil spille en stadig større rolle i samfunnet i fremtiden. Og selv med tiltak for å forbedre energieffektiviteten er det sannsynlig at sentrenes andel av det globale energiforbruket vil vokse i årene som kommer.
Datasentre som er store energiforbrukere i dag, kan få en nøkkelrolle som morgendagens energiknutepunkt. Datasentre kan produsere, konsumere og lagre energi, og balansere belastningen på strømnettet ved å håndtere toppunkt i etterspørsel, integrere elektriske og termiske energibehov, og bytte mellom disse i forhold til sesongmessige endringer. Om vinteren kan det gjøres et varmeskifte for å imøtekomme økt etterspørsel etter fjernvarme, og om sommeren kan det leveres mer strøm.
Hvordan kan SINTEF bidra?
SINTEF Energi har lang erfaring i å forbedre energieffektivitet og utnytte spillvarme. I forskningssenteret HighEFF arbeider forskere fra SINTEF med metoder for å oppnå optimal integrasjon av termisk energilagring av spillvarme og industriell varmepumpeteknologi for å oppgradere spillvarmen til høyere temperaturer på en så miljøvennlig måte som mulig. En av teknologiene HighEFF jobber med er å bruke CO2 som kjølemedium i varmepumpene. Hvordan kan CO2 gjøre mer miljøvennlig? Se videoen under så får du svaret.
I forskningssenteret FME ZEN, forsker SINTEF på integrasjonen mellom elektrisitet og fjernvarme og i forskningssenteret FME CINELDI ser forskere etter løsninger som kan forbedre kapasiteten på elektrisitetsnettet på en kostnadseffektiv måte, som vil være viktig for å få nok strøm til datasentrene.
Pingback: Høringssvar: Endring i energilovens krav for utnyttelse av spillvarme - #SINTEFblogg
Pingback: Industrinaboer kan dele overskuddsenergi - #SINTEFblogg