Industria data center este într-o continuă căutare a unor  noi soluții pentru creșterea eficienței energetice. Interesul crește, pe măsură ce metodele convenționale de alimentare sau răcire  își arată limitele în fața cerințelor de procesare aduse de tehnologiile AI, 5G wireless și IoT. Dacă în articolul precedent am abordat subiectul reactoarelor modulare, de data aceasta avem in vizor sistemele de răcire bazate pe energia geotermală.

Răcirea reprezintă peste 40% din consumul de energie electrică al unui centru de date, iar amprenta de carbon a cloud-ului a depășit încă din 2022 amprenta industriei aeronautice. Potrivit unei analize extinse realizate de MIT un singur centru de date poate consuma echivalentul energetic al 50 000 de locuințe.

Deși este o tehnologie aflată încă în etapele experimentale/de cercetare, sistemele de răcire, bazate pe energie geotermală, pentru centrele de date se bazează pe un principiu valorificat de oameni dintotdeauna pentru depozitarea la rece a alimentelor și băuturilor, în pivnițe construite sub pământ. La câțiva metri adâncime, pământul are o temperatură relativ constantă, care variază de obicei între 10-16°C, indiferent de temperatura de la suprafață. Această temperatură stabilă poate fi folosită pentru răcirea centrelor de date, transferând căldura generată de sistemele IT în sol.

Islanda este cel mai relevant exemplu de utilizare a acestui tip de energie regenerabilă pentru răcire. Răcitoarele cu absorbție, o tehnologie care utilizează apă caldă sau abur pentru a produce efecte de răcire, sunt folosite în diferite sectoare, cum ar fi hoteluri, centre de date și unități industriale. Mai mult, prin valorificarea potențialului de răcire al acestui tip de energie regenerabilă, Islanda își optimizează resursele energetice și reduce dependența de sistemele convenționale de aer condiționat, atenuând astfel impactul asupra mediului.

Cum funcționează un sistem de răcire bazat pe energie geotermală

 Tehnologia de răcire cu energie geotermală este încă în dezvoltare, informațiile sunt puține, dar câteva site-uri de specialitate ne explică principiile generale de funcționare. Într-un centru de date, răcirea geotermală presupune un sistem subteran cu conducte/țevi în buclă închisă sau deschisă, prin care circulă apă și/sau agent de răcire („coolant”, „cooling agent” sau „antifreeze”). În anumite configurații, sistemul include un rezervor subteran. Acest lichid circulă prin conducte (de obicei, din polietilenă) și preia căldura de la echipamentul centrului de date, transferând-o sub pământ, care acționează ca un disipator termic natural. Datorită masei pământului, sistemele geotermale pot gestiona surse mari de căldură cu un consum minim de energie, oferind o soluție eficientă și sustenabilă pentru răcirea centrelor de date.

În teorie, sistemele de răcire cu energie geotermală se împart în următoarele trei categorii, care funcționează astfel:

• Sisteme în buclă închisă. Această configurație este cea mai populară în industria data center și este formată dintr-o rețea de conducte îngropate în subteran, vertical sau în tranșee orizontale, prin care circulă lichidul, de obicei un amestec de apă și antigel. Pe măsură ce lichidul trece prin centrul de date, absoarbe căldura de la servere. Lichidul încălzit călătorește apoi prin conductele subterane, unde eliberează căldura în solul mai rece. Odată răcit, lichidul își reia circuitul în centrul de date, pentru a repeta procesul. Lungimea țevilor variază în funcție de temperatura, conductivitatea termică și umiditatea solului, potrivit unui brevet publicat de Google.
• Sisteme în buclă deschisă. Apa este pompată în centrul de date dintr-o sursă naturală (puț sau lac). După ce absoarbe căldura, apa încălzită este evacuată înapoi în mediu. Potrivit aceluiași brevet Google, aceste sisteme sunt cele mai simple și mai economice pentru că temperatura apei subterane este aproape constantă pe tot parcursul anului. Tot de aici aflăm că pentru astfel de configurații sunt necesari până la 11 litri de apă pe minut, pe tonă de capacitate de răcire (o tonă capacitate de răcire înseamnă cantitatea de energie termică necesară pentru a topi o tonă de gheață în decurs de 24 de ore, echivalentă cu 11.917 BTU). pentru un schimb de temperatură eficient.
• Sisteme hibride. Sistemele hibride combină răcirea geotermală cu sistemele tradiționale HVAC și sunt eficiente în special în zonele cu temperaturi extreme, unde abordarea geotermală nu poate satisface nevoile de răcire ale centrului de date pe tot parcursul anului.

Totuși, această abordare pentru exploatarea energiei geotermale vine cu unele limitări date în special de capacitatea solului sau apei de a prelua caldura degajată de centrul de date.

O abordare inversă, însă, poate aduce eficiențe notabile privind exploatarea energiei geotermale, și anume: în loc să cedăm solului căldura generată de centrul de date, folosind sisteme tehnologice complexe, putem prelua energia geotermală sub formă de caldură și să o convertim ulterior în răcire.

Aceste sisteme complexe care pot prelua caldura de la diverse surse (arderea diverselor tipuri de combustibili, sisteme solare, caldura reziduală de la facilități de producție) se numesc chillere cu absorbție  Acestea sunt folosite în mod curent în sisteme de trigenerare. Mai precis, un motor termic (de regulă pe gaz) cuplat cu un generator produce energie electrică. Al doilea produs al unui astfel de sistem este apa caldă. Al treilea produs este apa răcită (una din sursele principale de căldură este eșapamentul motorului).

Beneficiile răcirii cu energie geotermală

Răcirea geotermală are un mare potențial și poate oferi beneficii reale pentru centrele de date, combinând eficiența energetică ridicată cu avantajele ecologice și economice. Această tehnologie poate reduce costurile operaționale, minimizând în același timp impactul asupra mediului. Prin utilizarea resursei naturale a solului pentru răcire, sistemele geotermale pot contribui la scăderea amprentei de carbon și asigură o soluție de răcire fiabilă și scalabilă.

• Eficiență energetică. Sistemele de răcire geotermală implică doar consumul de energie electrică pentru pompele de circulare a lichidului, procesul de răcire în sine nu consumă energie și nu generează costuri, deoarece apa este răcită folosind doar temperatura naturală a solului. În plus, răcirea geotermală reduce sau poate chiar elimina nevoia de aer condiționat convențional, ceea ce ar permite o economie și mai mare de energie electrică.
• Tehnologie ecologică. Având o eficiență energetică foarte ridicată, răcirea geotermală contribuie la scăderea amprentei de carbon a centrelor de date. În plus, folosește o resursă naturală regenerabilă, apa, are o amprentă la sol mică, nu produce deșeuri nocive și nu necesită intervenții majore în ecosisteme.
• Costuri operaționale mici și fiabilitate. După implementare, costurile de întreținere și operare sunt foarte mici, pe termen lung, potrivit datelor disponibile până în acest moment. Temperatura constantă a solului elimină fluctuațiile mari de temperatură care ar necesita ajustări frecvente. Întreținerea este minimă pentru că sistemele geotermale au componente subterane cu foarte puțină expunere la condiții externe, concepute pentru un ciclu de viață extins, fără să necesite reparații. În plus, performanța sistemului nu depinde de condițiile meteo externe, fiind constantă.
• Energia geotermală este regenerabilă deoarece căldura este produsă în mod continuu în interiorul pământului. Această căldură provine din procese naturale, cum ar fi dezintegrarea radioactivă a mineralelor și activitatea geotermală. Căldura se regenerează constant, deci poate fi utilizată fără a se epuiza. Spre deosebire de resursele fosile, energia geotermală nu emite gaze cu efect de seră în timpul producției, ceea ce o transformă într-o opțiune ecologică. De asemenea, fiind disponibilă constant, indiferent de condițiile meteorologice, energia geotermală contribuie la stabilizarea rețelelor energetice și la reducerea dependenței de sursele tradiționale de energie.

Provocări

Din cauza forajelor și a montării conductelor, investițiile inițiale pentru un astfel de sistem de răcire sunt mai mari decât cele pentru soluțiile convenționale. În plus, sunt necesare analize și un plan care să includă și să se adapteze la starea solului. Nu toate locațiile sunt potrivite pentru sistemele geotermale, o atenție deosebită trebuie acordată zonelor urbane sau regiunilor cu teren dificil. Eficiența acestora depinde de geologia locală, compoziția solului și spațiul disponibil pentru instalare. Toți acești factori pot duce la tergiversări, costuri suplimentare și pierderi de capital. Totuși, se preconizează că aceste costuri pot fi compensate prin economiile pe termen lung, ulterioare implementării.

Deși necesitățile de întreținere a sistemului subteran sunt minime, orice defecțiune poate fi greu de remediat din cauza accesului dificil. În plus, în cazul sistemelor de răcire geotermală în buclă deschisă, este nevoie de o sursă de apă constantă și trebuie acordată o atenție deosebită impactului asupra ecosistemului local. Dacă apa caldă este eliberată în lacuri, creșterea temperaturii apei poate afecta peștii și plantele acvatice. În sistemele în buclă închisă, scurgerile ar trebui, de asemenea, luate în considerare, mai ales dacă lichidul folosit nu este apă simplă. Cantitatea mare de apă folosită este o altă provocare importantă, dat fiind că un centru de date hyperscale, care folosește sisteme de răcire tradiționale, poate consuma până la 2,1 milioane de litri pe zi și 760 de milioane de litri pe an, potrivit analiștilor Dgtl Infra.

O tehnologie încă experimentală

Iron Mountain  din Pennsylvania, SUA, este singurul caz public al unui centru de date care a adoptat tehnologia de răcire geotermală. Acesta este situat la o adâncime de 200 de metri într-o fostă mină de calcar, lângă un rezervor de apă (lac subteran) de peste 14 hectare. Prin implementarea răcirii geotermale, Iron Mountain și-a redus consumul de energie electrică cu 34%.

Dintre marii jucători de pe piața globală, Google pare cel mai interesat de această tehnologie. Dincolo de brevetul deja amintit anterior, începând din 2023, Google  folosește energie geotermală pentru alimentarea centrelor sale de date din Nevada. Un pas similar a fost făcut și de Meta în 2024. Totuși, nu există alte informații publice despre evoluția proiectelor referitoare la sistemele de răcire geotermală.

Știm că centrele de date moderne au cerințe energetice comparabile cu cele ale unor mici orașe, iar implementarea tehnologiilor emergente, precum răcirea geotermală, oferă soluții promițătoare pentru această problemă. Totuși, o provocare majoră este că multe dintre aceste tehnologii sunt încă insuficient dezvoltate. Această incertitudine îi forțează pe operatori să investească strategic, echilibrând nevoile actuale cu pregătirea pentru cerințe și soluții viitoare, neprevăzute. În acest context, flexibilitatea designului centrelor de date este esențială pentru integrarea rapidă a viitoarelor tehnologii de răcire fără a compromite eficiența.

Promitem că la ediția 2025 a DataCenter Forum vom discuta pe scena și despre sistemele de răcire geotermală.