Datakeskusten tuottaman hukkalämmön muuttaminen sähköksi ORC-prosessin avulla : ORC-prosessin tehostaminen lämpöpumpulla
Pysyvä osoite
Kuvaus
Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.
Datakeskusten määrä ja niiden sähköenergian kulutus kasvavat kansainvälisen tiedonprosessoinnin kysynnän kasvun mukana. Globaalin datakeskusalan kasvun myötä myös Suomeen on tehty useita datakeskusinvestointeja kotimaisten ja ulkomaisten yhtiöiden toimesta. Suomi on otollinen paikka sijoittaa datakeskus viileän ilmaston ja saatavilla olevan uusiutuvan sähköenergian myötä, joka on kohtuuhintaista. Datakeskukset kuluttavat suuren määrän sähköenergiaa, joka lopulta muuttuu lämmöksi ja tätä hukkalämmöksi kutsuttua lämpöenergiaa pyritään hyödyntämään eri tavoin. Suomessa hukkalämpöä hyödynnetään pääasiallisesti kaukolämmön tuotannossa, mutta myös muita hyödyntämiskeinoja tulee tutkia kaukolämmön vaatiman infrastruktuurin puuttuessa usealta eri alueelta, jonne datakeskuksia saatetaan sijoittaa. Taloudellisen hyödyn lisäksi myös kiristyvät kansalliset ja kansainväliset vaatimukset ohjaavat tutkimaan mahdollisimman tehokkaan hukkalämmön hyödyntämisen mahdollisuuksia. Työn tavoitteena oli tutkia vaihtoehtoa, jossa datakeskusten tuottama hukkalämpö hyödynnetään sähköenergian tuotannossa. Tämä ORC-prosessin avulla datakeskuksen yhteydessä tuotettu sähköenergia olisi mahdollista hyödyntää osana datakeskuksen sähkönkulutusta.
Koska datakeskuksesta saatavan hukkalämmön lämpötila on suhteellisen matala, on sähköntuotannon hyötysuhde rajallinen. ORC-prosessin tehostamiseksi työssä tutkittiin, onko lämpöpumpun integroiminen osaksi tuotantoprosessia taloudellisesti ja teknisesti kannattavaa. ORC-prosessin lämpöhyötysuhde eli sen tuottaman sähköenergian määrä suhteessa vastaanotettuun hukkalämmön määrään, kasvaa hukkalämmön lämpötilan noustessa. Todettiin, että hukkalämmön lämpötilaa on mahdollista nostaa lämpöpumpulla, jolloin voidaan saavuttaa korkeampi ORC-prosessin lämpöhyötysuhde. Lämpöpumpun vaatima investointikustannus asettaa kuitenkin rajoitteita integraation taloudelliselle kannattavuudelle. Lämpöpumpun ja ORC-prosessin integroiminen datakeskuksen yhteyteen havaittiin olevan teknisesti mahdollista, mutta toistaiseksi taloudellisen kannattavuuden selvitys on haastavaa. Koska ORC-prosessin integraatio datakeskusympäristöön on suhteellisen tuore keksintö, sisältää laitteiston investointi- ja ylläpitokustannuksien selvittäminen runsaasti epävarmuustekijöitä. Teknisestä näkökulmasta työssä tutkittiin tärkeimmät laitteiston suunnittelua ja sen ylläpitoa koskevat seikat, jotka tulee ottaa huomioon onnistuneen lopputuloksen saavuttamiseksi. Onnistunut ORC-järjestelmän integraatio edellyttää datakeskuksen jäähdytysjärjestelmästä alkaen huolellista suunnittelua ja tarkasti mitoitettua toimintaympäristöä.
The number of Data Centers and their electricity consumption are growing along with the growth in international demand for data processing. With the growth of the global Data Center industry, several Data Center investments have also been made in Finland by domestic and foreign companies. Finland is a suitable place to locate a Data Center due to its cool climate and the availability of affordable renewable electricity. Data Centers consume a large amount of electricity which ultimately turns into heat. This thermal energy, called waste heat, is being utilized in various ways. In Finland, waste heat is mainly utilized in the production of district heating. Other means of utilization should also be investigated due to the lack of the infrastructure required for district heating in several different areas where Data Centers may be located. In addition to the economic benefits, increasing national and international requirements also guide the investigation of the possibilities of utilizing waste heat as efficiently as possible. The aim of this thesis was to investigate an alternative in which the waste heat produced by Data Centers is utilized in the production of electricity. This electrical energy produced in the Data Center area through the ORC process could be utilized as part of the Data Center’s electricity consumption.
Since the temperature of the waste heat from the Data Center is relatively low, the efficiency of electricity production is limited. To improve the efficiency of the ORC process, this thesis investigated whether integrating a heat pump into the production process is economically and technically viable. The thermal efficiency of the ORC process, i.e. the amount electrical energy it produces in relation to the amount of waste heat received, increases as the temperature of the waste heat increases. It was found that it is possible to raise the temperature of the waste heat with a heat pump, thereby achieving a higher thermal efficiency of the ORC process. However, the investment cost required by the heat pump places limitations on the economic viability of the integration. Integrating a heat pump and ORC process into a Data Center was found to be technically feasible, but so far, the economic viability is challenging to determine. Since the integration of the ORC process into the Data Center environment is a relatively recent invention, the evaluation of the investment and maintenance cost of the equipment contains a lot of uncertainty. From a technical perspective, the thesis examined the most important aspects of the equipment design and its maintenance that must be considered to achieve a successful outcome. Successful integration of the ORC system requires careful planning, starting with the Data Center cooling system, and a precisely dimensioned operating environment.