Energy efficiency and waste heat utilization in data centers

The growing demand for digital services has significantly increased the number of data centers and their energy consumption. This has led to greater environmental impacts and costs caused by data centers. Managing these impacts requires new technological solutions. Data center components produce a large amount of heat, which requires efficient cooling methods to remove. This low-grade heat is often released into the environment unused. The development of efficient cooling solutions and waste energy recovery are therefore the key to sustainable development in the industry. The aim of this master's thesis was to map and study cooling solutions that promote energy efficiency in data centers and technologies for utilizing waste energy. The work was carried out as a narrative literature review, examing academic articles on the subject. The work examined different forms of cooling in data centers and the possibilities for utilizing waste heat. Based on the study, air cooling is still the most common cooling method in data centers, due to its simplicity and low investment costs. The efficiency of air cooling can be improved, for example, by free cooling, but the future prospects of air cooling are limited due to the poor heat transfer capacity of air and the increasing heat loads. Liquid cooling offers better potential for reducing energy consumption and utilizing higher-quality waste heat. However, liquid cooling methods require larger initial investments and more complex infrastructure, as well as careful risk management to address potential problems. The work also investigated possible applications of waste heat. Waste heat can be utilized in many different ways. According to the study, connecting to a district heating network is the most efficient way of utilizing it in areas where the infrastructure is sufficiently developed. Waste heat can also be used to produce electricity using the organic Rankine Cycle (ORC) process. Waste heat can also be utilized in various industrial and agricultural processes, such as seawater desalination and greenhouse heating. These waste heat applications offer a low-emission alternative to traditional fossil-based energy sources. In summary, improving the energy efficiency of a data center requires a focus on both efficient cooling solutions and waste heat utilization. Development should move towards more comprehensive assessment methods and technologies that reduce energy consumption while providing environmental benefits.

Digitaalisten palveluiden kasvava kysyntä on merkittävästi lisännyt datakeskusten määrää ja niiden energian kulutusta. Tämä lisää datakeskusten aiheuttamia ympäristövaikutuksia ja kustannuksia. Näiden hallinta edellyttää uusia teknologisia ratkaisuja. Datakeskusten komponentit tuottavat suuren määrän lämpöä, jonka poistamiseen tarvitaan tehokkaita jäähdytysmenetelmiä. Tämä poistettava matala-asteinen lämpö vapautuu usein käyttämättömänä ympäristöön. Tehokkaiden jäähdytysratkaisujen ja hukkaenergian talteenoton kehittäminen on siis avain kestävään kehitykseen alalla. Tämän diplomityön tavoitteena oli kartoittaa ja tutkia datakeskusten energiatehokkuutta edistäviä jäähdytysratkaisuja sekä hukkaenergian hyödyntämisen teknologioita. Työ toteutettiin narratiivisena kirjallisuuskatsauksena, jossa tutkittiin akateemisia artikkeleita aiheesta. Työssä tarkasteltiin datakeskusten eri jäähdytysmuotoja sekä hukkalämmön hyödyntämismahdollisuuksia. Tutkimuksen perusteella ilmajäähdytys on edelleen yleisin jäähdytysmenetelmä datakeskuksissa, johtuen sen yksinkertaisuudesta ja alhaisista investointikustannuksista. Ilmajäähdytyksen tehokkuutta voidaan parantaa esimerkiksi vapaajäähdytyksellä, mutta ilmajäähdytyksen tulevaisuuden näkymät ovat rajalliset ilman heikon lämmönsiirtokyvyn vuoksi ja jatkuvasti kasvavien lämpökuormien vuoksi. Nestejäähdytys tarjoaa paremman potentiaalin energiankulutuksen pienentämiseen ja korkeampilaatuisen hukkalämmön hyödyntämiseen. Nestejäähdytysmenetelmät vaativat kuitenkin suurempia alkuinvestointeja ja monimutkaisempaa infrastruktuuria, sekä huolellista riskienhallintaa mahdollisten ongelmien ratkaisemiseksi. Työssä tutkittiin myös hukkalämmön mahdollisia sovelluksia. Hukkalämpöä voidaan hyödyntää monin eri tavoin. Tutkimuksen mukaan kaukolämpöverkkoon liittäminen on tehokkain hyödyntämistapa alueilla, joissa infrastruktuuri on tarpeeksi kehittynyttä. Hukkalämpöä voidaan käyttää myös sähkön tuotantoon ORC-prosessilla. Hukkalämpö voidaan hyödyntää myös teollisuuden ja maatalouden erilaisiin prosesseihin, kuten meriveden suolanpoistoon ja kasvihuoneiden lämmitykseen. Nämä hukkalämmön sovellukset tarjoavat vähäpäästöisen vaihtoehdon perinteisille fossiilipohjaisille energialähteille. Yhteenvetona voidaan todeta, että datakeskuksen energiatehokkuuden parantaminen edellyttää keskittymistä sekä tehokkaisiin jäähdytysratkaisuihin että hukkalämmön hyödyntämiseen. Kehi-tyksen tulisi siirtyä kohti kattavampia arviointimenetelmiä ja teknologioita, jotka vähentävät energiankulutusta sekä tarjoavat ympäristöhyötyjä.