يعد تخزين البرد لتبريد مراكز البيانات تحت الأرض أكثر ربحية

يؤدي التطور السريع للذكاء الاصطناعي والمنصات السحابية ونمو أحجام معالجة البيانات إلى زيادة مطردة في استهلاك الطاقة في مراكز البيانات. تستهلك الخوادم أكثر من غيرها، ولا يمكن فعل أي شيء حيال ذلك، وتأتي أنظمة التبريد في المرتبة الثانية. يتم اقتراح حلول مختلفة هنا، على سبيل المثال وضع مراكز البيانات فيها بحر وحتى في فضاء.

طريقة أخرى – تراكم الطاقة الحرارية في طبقة المياه الجوفية (خزان تخزين الطاقة الحرارية – RTES) – يتضمن تخزين البرد تحت الأرض واستخدامه لاحقًا لتبريد الأشياء خلال فترات ذروة الطلب على الطاقة.

كيف يعمل هذا

يستخدم نظام RTES الهواء الخارجي البارد والكهرباء الرخيصة لتخزين الطاقة. عندما تنخفض درجات الحرارة – في الشتاء أو في الليل – يتم تبريد المياه في مبردات جافة وضخها تحت الأرض. أثناء الطقس الحار، يتم ضخ هذا الماء البارد مرة أخرى وتمريره عبر مبادل حراري حيث يوفر التبريد المباشر عن طريق إزالة الحرارة من تدفق السائل العائد من مركز البيانات.

يتم إرسال الماء الساخن تحت الأرض مرة أخرى، ولكن إلى بئر “ساخن” آخر مصمم خصيصًا. لا يتم تبريده على الفور، ولكن يتم تركه دافئًا حتى دورة إعادة الشحن التالية، عندما يصبح الجو باردًا في الخارج مرة أخرى ويتم تخفيض التعريفات لتجديد احتياطيات البرد في الخزان. تحافظ هذه الدورة المستمرة على توازن النظام وتوفر تبريدًا موثوقًا به، مع تقليل تكاليف الطاقة وتخفيف حمل الشبكة.

يتم حفر آبار RTES إلى أعماق تبلغ حوالي كيلومتر واحد أو أقل – وهو ما يكفي للوصول إلى المياه الجوفية – على الرغم من أن العمق الفعلي يعتمد على الجيولوجيا المحلية. إن طبقات المياه الجوفية قليلة الملوحة أو المالحة التي تتدفق إليها الآبار معزولة بشكل طبيعي بالصخور المحيطة، مما يجعلها مثالية لتخزين الطاقة الحرارية على المدى الطويل بسبب بطء تبادل المياه واستقرارها الكيميائي.

اثنين من السيناريوهات

المتخصصين مختبر روكي ماونتن الوطني، المعروف سابقًا باسم المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، أجرى دراسة جدوى للمنهجية، ونشرت نتائجها في الطاقة التطبيقية.

أنشأ المؤلفون سيناريوهين للتبريد يعتمدان على نظام RTES باستخدام أربعة آبار يبلغ عمقها 275 مترًا، وقاموا بنمذجة فعاليتهما في الحفاظ على مركز بيانات على مدار 20 عامًا. واستندت الحسابات إلى الدورة الموسمية: استخراج الطاقة الباردة في الصيف وتجديد المياه الباردة في الشتاء.

استخدم كلا السيناريوهين مبردات جافة توفر “تبريدًا مجانيًا” عن طريق نفخ الهواء عبر مبادل حراري باستخدام مراوح ميكانيكية – دون ضواغط كثيفة الاستهلاك للطاقة أو دورات تبريد، مما يقلل من استهلاك الكهرباء. على عكس أبراج التبريد، لا تستهلك المبردات الجافة الماء في الموقع. يتضمن أحد السيناريوهين بالإضافة إلى ذلك نظام استعادة الحرارة الذي يستعيد الحرارة المهدرة من مركز البيانات لتدفئة المبنى في الشتاء.

وتمت مقارنة سيناريوهي نظام RTES بسيناريو تحكم ثالث: نظام تبريد تقليدي يستخدم مبردات جافة مقترنة بمبردات ضغط البخار. في حين أن المبردات تتسم بالكفاءة بشكل عام، إلا أن أدائها ينخفض ​​في الصيف حيث يتعين على الضواغط أن تعمل بجهد أكبر للحفاظ على درجات الحرارة منخفضة في الظروف الحارة، مما يزيد بشكل كبير من استهلاك الطاقة.

لا تواجه RTES هذه المشكلة لأنها تعتمد على الماء البارد المخزن تحت الأرض. ونتيجة لذلك، فإن أداء مثل هذا النظام يكون أقل اعتمادا بكثير على درجة الحرارة الخارجية.

ومن خلال التخلص من دورات التبريد كثيفة الاستهلاك للطاقة، أصبح نظام RTES أكثر كفاءة بنحو سبع مرات من المبردات التقليدية خلال ذروة موسم الصيف، مع COP يبلغ 16.5 مقابل 2.4 للمبردات.

“إن استهلاك الطاقة لأنظمة التبريد التقليدية كبير، خاصة في فصل الصيف، في حين أن نظام RTES يقلل ذلك بشكل كبير من خلال توفير طريقة مبتكرة ومحسنة لتبريد مراكز البيانات”، أوضح هيونجونج أوه، مهندس الطاقة الحرارية الأرضية في NREL، والمؤلف الرئيسي للدراسة.

بالنسبة لمراكز البيانات التي تحتاج إلى تبريد مستمر، فهذا يعني انخفاض تكاليف التشغيل مع الحفاظ على التشغيل الموثوق به على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

ثلاثة كائنات

قمنا أيضًا بحساب المدخرات. انخفضت تكلفة التبريد المستوية – وهو مقياس يقيس التكلفة الإجمالية لإنتاج وتوريد انتشار التبريد على مدار عمر النظام – من 15 دولارًا لكل ميجاوات في الساعة مع المبردات إلى 5 دولارات لكل ميجاوات في الساعة فقط.

وفقًا للباحثين، يمكن لـ RTES تبريد مركز البيانات بشكل موثوق لمدة 20 عامًا – أي أن الرقم أعلاه يعني انخفاضًا في تكاليف التبريد التشغيلية بنسبة 70-80٪ سنويًا.

ولإجراء الحسابات، استخدم المؤلفون مركز بيانات حوسبة عالي الأداء في كولورادو بحمل حراري قدره 5 ميجاوات. يتضمن المشروع الأكبر الذي تعد هذه الدراسة جزءًا منه أيضًا مزرعة تعدين للعملات المشفرة بقدرة 30 ميجاوات في تكساس ومركز بيانات فائق النطاق بقدرة 70 ميجاوات في فرجينيا.