مراکز داده در تمام طول سال گرما ایجاد می کنند - در اینجا نحوه نگه داشتن زمین تا زمستان آمده است

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

احتمالا در یک روز گرم تابستان متوجه آن شده اید: یک زیرزمین حتی زمانی که هوای بیرون در حال پخت است احساس خنکی می کند. زمین به سرعت هوا گرم و سرد نمی شود. چند صد فوت پایین تر، در تمام طول سال نزدیک به میانگین سالانه محلی است که می تواند حدود 50 درجه فارنهایت (10 درجه سانتیگراد) باشد.

در ورونا، ویسکانسین، شرکت نرم افزار سلامت Epic Systems دو دهه را صرف تبدیل این واقعیت به زیرساخت کرده است. این شرکت تقریبا 6100 چاه به عمق 300 تا 800 فوت (90 تا 240 متر) حفر کرده است که اکنون با استفاده از گرمای اتلاف یک مرکز داده 3.5 مگاواتی، حدود 40 ساختمان را در محوطه دانشگاه گرم و خنک می کند.

چیزی که این تنظیم را غیرعادی می کند این نیست که Epic در زمستان گرما را از زمین خارج می کند - پمپ های حرارتی معمولی با منبع زمین این کار را در خانه ها در سراسر کشور انجام می دهند. آنچه غیرمعمول است این است که Epic گرما را در تابستان به زمین می‌ریزد و ماه‌ها بعد دوباره آن را خارج می‌کند.

این بیشتر از آن چیزی که به نظر می رسد اهمیت دارد زیرا زمان بندی چیزی است که معمولا ایده استفاده مجدد از گرمای مرکز داده را از بین می برد. سرورها در هر ساعت از سال گرما ایجاد می کنند. در بیشتر ایالات متحده، ساختمان ها فقط برای حدود چهار ماه نیاز به گرم کردن دارند. لوله‌کشی مستقیم به ساختمان‌های مجاور در ماه فوریه به زیبایی کار می‌کند، اما در ژوئیه چیزی را حل نمی‌کند. ذخیره سازی قطعه گم شده است.

ممکن است اخیرا مراکز داده و انرژی زمین گرمایی را با هم در اخبار مشاهده کرده باشید. گوگل در حال خرید 115 مگاوات انرژی زمین گرمایی در نوادا است و متا برای 150 مگاوات از یک نیروگاه زمین گرمایی در نیومکزیکو قرارداد بسته است.

این پروژه ها برای گرمایی که زمین در حال حاضر نگه داشته است، حفاری می کنند، به اندازه کافی عمیق و به اندازه کافی داغ برای تولید برق. ذخیره گرما در زیر زمین تصویر آینه ای است: همان حفاری، همان سنگ، اما گرما از ساختمان می آید، و وظیفه زمین حفظ آن است نه تامین آن.

گرما می تواند به شیوه های شگفت انگیزی رفتار کند. ممکن است تا بعدازظهر یک لایه نازک از برف در یک راهرو از بین برود، اما یک انبوه برف که گاوآهن به گوشه‌ای از قطعه‌خانه رانده شده است، هنوز می‌تواند در آوریل آنجا بنشیند. همان برف، همان آب و هوا. تفاوت در شکل است: شمع سطح کمتری نسبت به حجم خود دارد، بنابراین مقدار کمتری از آن در معرض هوای گرم قرار می گیرد.

ذخیره گرما در زیر زمین از همان اصل استفاده می کند، هرچند برعکس. کمی گرما به سرعت نشت می کند. اما مقدار کافی از آن را به حجم کافی از سنگ فشار دهید، و بیشتر آن ماه‌ها بعد همچنان وجود دارد، زیرا گرما تنها از طریق لبه‌های ناحیه گرم شده می‌تواند خارج شود.

در ماه جولای، آب گرم شده توسط سرورها از طریق لوله ای در اعماق زمین پمپ می شود، جایی که سنگ اطراف لوله را گرم می کند. سنگ یک رسانای ضعیف گرما است که به نظر می رسد یک نقص است، اما در واقع یک عنصر حیاتی است: به همین دلیل است که گرما نزدیک به جایی که در ابتدا ذخیره شده است باقی می ماند.

هنگامی که ژانویه فرا می رسد، آب از طریق لوله در زمین که هنوز هم مقدار زیادی از گرمای ذخیره شده در ماه ژوئیه را در خود دارد، بازگردانده می شود. آب آن گرما را می گیرد و گرمتر از آنچه باقی می ماند به سطح برمی گردد. هیچ مخزنی در آنجا مدفون نیست و هیچ باتری شارژ نمی شود. سنگ محل ذخیره است و آنچه ذخیره می شود گرما است.

آبی که برمی گردد ولرم است. در زمستان، سیستم‌های مشابه در هلند گرمای ذخیره‌شده خود را با آبی که در حدود ۵۹ فارنهایت (۱۵ درجه سانتیگراد) است، بیرون می‌کشند.

بیشتر تحقیقات من در مورد چاه هایی است که گرمای ذخیره شده را به برق تبدیل می کنند. در این سیستم‌ها، انرژی خورشیدی و بادی مازاد پمپ حرارتی را راه‌اندازی می‌کند که مواد بسته‌شده در چاه را تا 284 فارنهایت (140 درجه سانتیگراد) گرم می‌کند و این گرما بعدا یک ژنراتور را به حرکت در می‌آورد.

در دمایی که سرورهای مرکز داده تولید می کنند، حدود 140 فارنهایت (60 درجه سانتیگراد)، گرمای بازیافتی برای به حرکت درآوردن یک توربین برای تولید برق کافی نیست. اما برای گرما کارآمد است: یک پمپ حرارتی می تواند مقادیر زیادی گرما را با برق نسبتا کمی منتقل کند.

در Epic، این گرما دفاتر را گرم می‌کند، آب گرم سالن‌های غذاخوری را تامین می‌کند و برف‌های پیاده‌روها را آب می‌کند.

گمانه های داخل سنگ با یک مشکل روبرو هستند: ایجاد گرمای بیش از حد. اگر گرمای هر تابستان بیشتر از مقداری که در هر زمستان بیرون می‌آید به زمین وارد شود، سنگ اطراف گمانه‌ها به آرامی سال به سال گرم‌تر می‌شوند، تا زمانی که مزرعه دیگر نمی‌تواند گرما را در دمایی که برای آن ساخته شده است تحمل کند.

با رشد پردیس Epic، این شرکت گمانه های بیشتری را حفر کرد تا بتواند گرمای بیشتری را ذخیره و استفاده کند.

دو راه برای رفع این عدم تعادل وجود دارد. یکی استفاده بیشتر از گرما، مانند پیش گرم کردن آب برای دیگ های ساختمان یا ذوب برف. مورد دیگر این است که به گرما فضای بیشتری بدهیم، گمانه های بیشتری را حفر کنیم تا بتوان آن را از طریق سنگ های بیشتری پخش کرد. اما حفاری زمین، تجهیزات و پول می خواهد. Epic هزینه سیستم خود را منتشر نکرده است، اگرچه وزارت انرژی گزارش می دهد که ساختمان های آن حدود 25٪ انرژی کمتری نسبت به ساختمان های مشابه در همان آب و هوا مصرف می کنند.

برخی از هزینه ها را می توان با استفاده از سوراخ هایی که از قبل در زمین وجود دارد، اجتناب کرد. ایالات متحده بیش از 141000 حلقه چاه نفت و گاز یتیم دارد که منتظر وصل شدن هستند. من و همکارانم مدل‌سازی کرده‌ایم که چگونه چاه‌های بیکار در کالیفرنیا می‌توانند بدون تعویض روکش‌های فولادی به ذخیره‌سازی حرارتی تبدیل شوند.

با این حال، در اکثر ایالت ها، یک چاه یا به عنوان یک چاه نفت و گاز یا به عنوان یک چاه برقی تنظیم می شود، بدون دسته بندی برای تبدیل آن به ذخیره گرما. من و یکی از همکاران یک فرآیند مجوز کارآمد را پیشنهاد کرده‌ایم که دولت‌ها می‌توانند آن را اتخاذ کنند تا امکان استفاده از چاه‌ها برای این هدف اضافی را فراهم کنند.

دو حد دیگر ارزش گفتن واضح دارد. اولین مورد فاصله است: گرمای ذخیره شده در زیر یا کنار تأسیسات قرار می گیرد، بنابراین هرکسی که از آن استفاده می کند باید نزدیک باشد. دومی اندازه است: مرکز داده 3.5 مگاواتی Epic در کنار پردیس های هوش مصنوعی که اکنون با توان 100 تا 1000 مگاوات ساخته شده اند بسیار کوچک است، و حفره آن به کل محوطه دانشگاه خدمات رسانی می کند، نه فقط به سرورها.

هنوز کسی گرمای یک مرکز داده را در این مقیاس در زیر زمین ذخیره نکرده است. با این حال، سیستم مشابهی که گرما را در ذخایر آب زیرزمینی به نام سفره‌های زیرزمینی ذخیره می‌کند، از سال 2009 60 تا 80 درصد نیاز گرمای زمستانی مجموعه‌ای از ادارات، یک هتل، یک مرکز پزشکی و یک مرکز داده در بن آلمان را تامین می‌کند.

گرما از بین نمی رود - اما باید جایی برود. در ایالات متحده، مراکز داده حدود 4.7 درصد از برق کشور را در سال 2024 مصرف کردند، سهم پروژه‌های آزمایشگاه ملی لارنس برکلی می‌تواند تا سال 2030 به نزدیک به 12 درصد برسد. و در برخی مکان‌ها، این نسبت حتی بیشتر است و 15.4 درصد از کل برق مصرفی را در داکوتای شمالی، 6 درصد، ویرجینیا و ویرجینیا 5 تشکیل می‌دهد.

حدود 30٪ تا 40٪ از این استفاده برای خنک کردن است، و گرمایی که از آن خارج می شود به آسمان می رود، زیرا آبی که توسط وسایل الکترونیکی گرم می شود تبخیر می شود.

جوامع در حال حاضر در مورد مراکز داده که قبض برق خود را افزایش می دهند و آب گرانبها را مصرف می کنند، مبارزه می کنند. انتخاب های مختلف در مورد نحوه مدیریت گرما می تواند به کاهش قبوض برق و آب در رودخانه های محلی کمک کند.

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.