«Мусорное тепло» — это энергия от источника питания, которая не используется в работе техники и пропадает зря. Но многие компании и даже целые страны видят в ней отдельный важный ресурс. С развитием сетей дата-центров излишки их энергии смогут обогреть тысячи домов.
В 2020 году общая емкость дата-центров в России увеличилась на 12%. И эта цифра будет расти, поскольку многие крупные компании проходят цифровую трансформацию: наращивают вычислительные мощности, строят центры обработки данных (ЦОДы) или заключают договор с компаниями-поставщиками.
По разным оценкам, такие центры уже сейчас потребляют от 3% до 5% всей энергии, вырабатываемой в мире. При этом их оборудование выделяет много тепла. Учитывая, что развитые страны стремятся уйти от ископаемых источников тепла, «потерянную» энергию тоже стремятся подобрать и заставить работать.
Тепло, утекающее сквозь пальцы
Из второго закона термодинамики следует, что тепло, полученное от нагревателя, нельзя полностью превратить в механическую энергию путем совершения работы. Значит, какая-то часть тепловой энергии будет уходить в никуда. А с точки зрения бухгалтеров и экономистов, борющихся за каждую копейку, — попросту теряться. Но, может быть, потери не настолько большие, чтобы всерьез об этом говорить?
На самом деле нет. Скажем, автомобильные двигатели выделяют примерно в два раза больше тепла, чем нужно для работы. Лишнее тепло просто необходимо куда-то отводить, чтобы двигатель не перегрелся и не разрушился. В большинстве автомобилей для этого используют системы жидкостного охлаждения, которые «обнимают» двигатель и забирают его тепло. Затем энергия передается воздуху.
Но на охлаждение (или производство охладителя) тратится дополнительная энергия, так что это только добавляет потери. Можно пойти другим путем и заставить тепло снова работать, возвращая его в бортовую электросеть. В некоторых гибридных автомобилях для этого ставят термоэлектрические генераторы. Обычно они состоят из пластин-теплообменников, проводников и генератора и выжимают энергию из разницы температур.
Принцип работы таких устройств основан на так называемом эффекте Зеебека. Для выработки электричества используют полупроводники, способность которых проводить ток зависит от температуры. Один контакт должен быть холодным, а второй — горячим. При поступлении тепла на один из контактов возбужденные электроны начинают двигаться в сторону холодного основания от горячей вершины. При замыкании контактов в цепи появляется электрический ток.
Термоэлектрики помогают экономить топливо и повышать КПД двигателя, но пока всего на 5%. К тому же термоэлектрические материалы стоят дорого, поэтому использовать такие устройства в транспортных средствах не очень рентабельно. Но наука не стоит на месте. Ученые разрабатывают материалы, которые позволяют увеличить разницу температур в полупроводниках, а вместе с ней и генерацию энергии.
Горячие данные
Гораздо более перспективным можно назвать использование тепла дата-центров: помещений, в которых хранятся серверы для обработки цифровых операций коммерческих компаний и городских служб. Обычный компьютер выделяет очень мало тепла — хватает, только чтобы слегка нагреть ваши колени. Но мощности крупных корпораций дают колоссальный выход лишней энергии. Например, «мусорным теплом» от серверов Google можно было бы согревать до 200 тыс. среднестатистических домохозяйств в США.
Конечно, безвозвратно теряется не все тепло — только около 20%. Примерно 45% всей потребляемой энергии уходит на охлаждение серверных комнат. Обычно избыточное тепло выводится на улицу. И в этом есть дополнительный минус, который касается уже городской экологии. Тепло накапливается в воздухе и нагревает здания — особенно летом и в жарком климате. В нагретом воздухе больше загрязняющих веществ, а это влияет на смертность.
Чтобы собирать лишнее тепло, инженеры придумали специальные тепловые насосы «воздух-вода». И здесь снова на помощь приходит термодинамика. Тепловая энергия всегда стремится переместиться из зоны с высокой температурой в зону с более низкой. Это явление используют в холодильниках: холод создается за счет отбора теплоты из какой-либо среды испарителем, а конденсатор сбрасывает теплоту в окружающую среду.
Тепловые насосы всасывают воздух и передают его хладагенту, который переходит в газообразное состояние при относительно низких температурах. Получившийся пар сжимается при помощи компрессора. В результате повышенного давления в ограниченном пространстве молекулы газа чаще сталкиваются друг с другом и разогреваются. Горячий газ затем нагревает воду, которую можно использовать для отопления.
В обычных системах такого рода компрессор питается от электричества. Но есть и способы отвода избыточного тепла без потери энергии. Например, вместо компрессора используют адсорбент — активированный уголь или силикагель (знакомый нам по пакетикам в обувных коробках). Пар отдает тепло материалу, который впитывает в себя капельки, а оно затем передается системе отопления.
Выход не для всех
Такой способ может быть эффективным, но в основном для крупных дата-центров. Во-первых, при работе на больших мощностях температура воздуха выше и забор тепла эффективнее. Во-вторых, для адсорбционного цикла нужны большие площади (от 400 кв. м). В-третьих, для этого надо специально оборудовать помещение. Чаще всего необходима система теплоизолированных воздуховодов и трубопроводов, которые к тому же довольно дорогие.
Еще один минус в том, что полученную таким образом энергию сложно транспортировать далеко и стоимость отводящих труб увеличивается. Поэтому используют ее в большинстве случаев для отопления самих серверных зданий и близлежащих домов, и в основном крупные компании. К примеру, «Яндекс» на своих дата-центрах в Финляндии установил систему тепловых насосов, отапливая порядка тысячи домов в пригороде. Продажа тепла может покрыть часть расходов на аренду помещений.
Наконец, это не всегда удобно с точки зрения расположения. Центры обработки данных могут находиться в относительно теплых местах, где не нужно искусственное отопление. Почвы могут плохо подходить для прокладки разветвленной системы трубопровода. Да и отведение тепла к отдельным домам рентабельно, если в стране существует система децентрализованного водяного отопления. Например, многие коммунальные службы в Америке вообще не предоставляют в дома тепло, так что этот вопрос целиком ложится на плечи жителей.
Се(р)верные пионеры
Проекты использования «мусорной энергии» особенно активно развиваются в Северной Европе, и это неслучайно. Здесь достаточно холодный климат и отопление обходится жителям недешево. Вместе с тем вопросы теплоснабжения зачастую находятся в ведении муниципальных властей. Это позволяет отдельным домам и кварталам самостоятельно определять источник поступления тепла и заключать договоры с теми же дата-центрами.
Еще один драйвер изменений — европейская стратегия снижения углеродной нагрузки. Многие страны (в первую очередь северные) стремятся снизить негативное воздействие на окружающую среду. Например, в Швеции действует закон, согласно которому к 2045 году страна должна полностью перестать вырабатывать энергию из углеводородов. В поисках альтернативных источников тепла скандинавские страны активно привлекают технологические компании. Google и «Яндекс» работают в Финляндии, Apple — в Дании, Amazon — в Швеции.
Сейчас многие из этих хранилищ уже отдают тепло домам. Так, около 10% отопления в муниципальной системе Швеции приходит от дата-центров. В Финляндии компания Telia планирует подключить свой центр обработки данных в округе Питяянмяки к местной сети централизованного теплоснабжения. В будущем дата-центр сможет обеспечивать теплом дома более 20 тыс. жителей Хельсинки. Не отстает и Норвегия: поставщик коммунальных услуг Fortum в Осло заключил договор с компанией DigiPlex на отопление 5 тыс. квартир.
Сейчас Норвегия решила пойти еще дальше. В начале 2021 года министр энергетики Тина Бру предложила всем операторам и владельцам центров обработки данных взять на себя обязательства по отводу излишков тепла в систему централизованного теплоснабжения. Эта идея согласуется с директивой Евросоюза, по которой все промышленные предприятия мощностью более 20 МВт, использующие для производства электричества разные виды топлива, должны предложить местным властями возможность варианты поставки тепла на коммунальные нужды.
Следующим на очереди может стать использование майнинговых ферм. Компания MintGreen, которые специализируется на майнинге криптовалют, планирует с 2022 года отапливать канадский Норт-Ванкувер. По утверждению компании, ее система «цифровых котлов» утилизирует 96% электроэнергии, используемой для добычи биткойнов. Вначале планируется обеспечить теплом сотню зданий. Если система хорошо себя зарекомендует, ее область применения расширят. Дополнительный плюс в том, что это позволит предотвратить выброс около 20 тыс. тонн парниковых газов на один мегаватт энергии.
