Bilans energetyczny centrów danych a zrównoważenie środowiskowe

Jak wskazano we wprowadzeniu do znowelizowanej i wchodzącej w życie 10 października 2023 r. dyrektywy unijnej w sprawie efektywności energetycznej [1], sektor IT odpowiada za 5–9% całkowitego zużycia energii elektrycznej na świecie. W 2018 r. centra przetwarzania danych odpowiadały za 2,7% zużycia energii (76,8 TWh) w 28 krajach unijnych, a do 2030 r. wartość ta ma wzrosnąć do 3,21% (98,5 TWh) [2]. Poprawa ich efektywności energetycznej ma więc istotny wpływ na realizację celów związanych z obniżeniem zużycia energii, dekarbonizacją i zrównoważeniem środowiskowym zarówno obiektów budowlanych, jak i kluczowych dla współczesnego świata procesów.

Zgodnie z art. 12 znowelizowanej dyrektywy [1] centra danych o zapotrzebowaniu na energię elektryczną (dla struktury informatycznej) wynoszącym co najmniej 500 kW będą zobowiązane do podawania do publicznej wiadomości (w zakresie nieobjętym tajemnicą handlową) danych istotnych z punktu widzenia efektywności energetycznej, śladu wodnego oraz elastyczności po stronie popytu. Raportowane parametry mają obejmować m.in. zużycie energii, wykorzystanie ciepła odpadowego, wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych, ale także zużycie wody, z wykorzystaniem następujących wskaźników charakterystyki energetycznej i zrównoważenia środowiskowego:

• współczynnik powtórnego wykorzystania energii (ERF – ang. Energy Reuse Factor) – wskaźnik określany jako stosunek energii ponownie wykorzystanej w centrum danych do całkowitego zużycia energii przez to centrum. Do energii ponownie wykorzystanej należeć może m.in. ciepło odpadowe z procesów chłodzenia. Zasady wyznaczania tego współczynnika reguluje norma PN-EN 50600-4-6 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 4-6: Współczynnik powtórnego wykorzystania energii [3];
• współczynnik energii odnawialnej (REF – ang. Renewable Energy Ratio) – wskaźnik określany jako udział energii odnawialnej, której właścicielem i menedżerem jest centrum danych, w całkowitym zużyciu energii przez to centrum. O wyznaczaniu wskaźnika REF mówi norma PN-EN 50600­-4-3 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 4-3: Współczynnik energii odnawialnej [4];
• efektywność zużycia wody (WUE – ang. Water Usage Effectiveness) podawaną w [l/kWh IT] należy rozumieć jako wskaźnik mierzący ilość wody zużywanej przez centrum danych do chłodzenia, utrzymania temperatury, wilgotności i wytwarzania energii elektrycznej w odniesieniu do zużycia energii przez infrastrukturę informatyczną. W tak rozumianym zużyciu energii nie uwzględnia się energii zużywanej np. przez systemy chłodzenia. Norma europejska dotycząca WUE to EN 50600-4-9 Information technology. Data centre facilities and infrastructures. Part 4-9: Water Usage Effectiveness (w katalogu PKN nie ma normy przenoszącej tę część EN 50600. Jej polski tytuł brzmiałby: Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 4-9: Efektywność zużycia wody) [5]. Przykładowe wartości WUE wynoszą 0,28 l/kWh IT (standard jednej z sieci centrów danych) lub 0,67 l/kWh IT (operator polski), a według wytycznych porozumienia Climate Neutral Data Center Pact do 2040 r. wszystkie 74 centra danych uczestniczące w porozumieniu mają uzyskać wskaźnik WUE nie wyższy niż 0,4 l/kWh [6].

Pierwszy raport z powyższymi danymi centra przetwarzania danych powinny złożyć do 15 maja 2024 r., a kolejne miałyby się pojawiać co roku. Zebrane dane (oraz już istniejące dobre praktyki) mają się przełożyć na ustanowienie dla całej UE wskaźników zrównoważonego charakteru centrum przetwarzania danych. Dzięki tym wskaźnikom centra danych dysponowałyby jasnymi wytycznymi, jakie działania i rozwiązania rzeczywiście mogą się przyczynić do wzrostu zrównoważenia środowiskowego obiektów zarówno istniejących, jak i dopiero projektowanych.

Zobacz także: Całoroczny bilans cieplny budynku energooszczędnego

Niezależnie od formalnej drogi legislacyjnej, powstają projekty mówiące o zrównoważeniu środowiskowym centrów danych. Kwestią zerowego zużycia energii nieodnawialnej zajmowali się uczestnicy projektu RenewIT (współfinansowanego ze środków siódmego programu ramowego UE dotyczącego badań i rozwoju technologicznego). W ramach tych prac sformułowano definicję Centrum Danych o Zerowym Zużyciu Energii (Net Zero Energy Data Center – NZEDC) – jest to obiekt, który w swoim okresie życia nie zużywa nieodnawialnej energii pierwotnej netto z sieci elektroenergetycznych i komunalnych, dzięki wytwarzaniu takiej ilości energii (elektrycznej i grzewczej), którą zużywa w ciągu roku [7]. W 2021 r. powstała wspomniana powyżej oddolna inicjatywa dostawców usług data centre i usług chmurowych (operatorów i organizacji branżowych) o nazwie Climate Neutral Data Center Pact (pakt na rzecz centrów danych neutralnych klimatycznie). Porozumienie ma pomóc w ograniczaniu śladu węglowego centrów danych oraz umożliwiać realizację obiektów ekologicznych i neutralnych klimatycznie. Ambitne cele, które stawiają sobie członkowie paktu, są m.in. następujące:

• do 2025 r. nowe centra danych będą mieć wartość PUE (Power Usage Effectiveness) wynoszącą 1,3 dla klimatu chłodnego i 1,4 dla klimatu ciepłego. Istniejące centra mają osiągnąć te wartości do 2030 r.;
• do 2025 r. zapotrzebowanie centrów danych na energię elektryczną będzie w 75% pokrywane z OZE lub sieciowej energii zdekarbonizowanej;
• we współpracy z Komisją Europejską powstanie nowy wskaźnik efektywności energetycznej centrów danych, pozwalający budować nowe obiekty zgodnie z jego założeniami [6].

Odnawialne źródła energii dla centrów danych

Zasadniczym i ogólnodostępnym odnawialnym źródłem energii, które może znaleźć zastosowanie w centrach danych na całym świecie, jest energia słoneczna. Coraz więcej obiektów korzysta z energii elektrycznej wytworzonej w elektrowniach fotowoltaicznych. Centra wykorzystują energię produkowaną w obrębie własnych budynków albo podpisują umowy PPA (Power Purchase Agreement) na dostawy zielonej energii – zakupy takie deklarują m.in. Atman, Beyond.pl, Netia, Orange, 3S Data Centre czy T-Mobile Polska, który w latach 2022–2023 zobowiązał się do zakupu 400 tys. MWh energii z OZE (umożliwia to pokrycie pełnego zapotrzebowania centrów tej firmy na energię). W centrum danych Warsaw Data Hub należącym do Orange zainstalowano z kolei dachową instalację PV o mocy 331 kWp na powierzchni blisko 1600 m², która zapewni roczną produkcję ok. 275 MWh energii. Orange zdecydował się na dwudziestoletnią umowę w modelu „solar as a service” – dostawca i wykonawca systemu pozostaje jego właścicielem oraz odpowiada za monitoring i okresowy serwis instalacji.

Centra danych a ciepło odpadowe

Zgodnie z dyrektywą w sprawie efektywności energetycznej państwa członkowskie mają też zapewnić, by centra przetwarzania danych o całkowitej znamionowej mocy wejściowej przekraczającej 1 MW korzystały z ciepła odpadowego (bezpośrednio lub z rozwiązań, które umożliwiają wykorzystanie ciepła odpadowego) pod warunkiem technicznej i ekonomicznej wykonalności takiego przedsięwzięcia.

Centra danych wydają się idealnym dostawcą ciepła odpadowego, ponieważ chłodzenie serwerów jest procesem ciągłym, przewidywalnym i niezawodnym [8]. Ciepło odpadowe może być wykorzystane do ogrzewania pomieszczeń powiązanych (np. powierzchni biurowych) i pobliskich obiektów lub do zasilania mniejszych i większych komunalnych sieci ciepłowniczych.

Współpraca z pobliskimi obiektami nie musi się wcale ograniczać do dużych centrów danych. W hrabstwie Devon w Wielkiej Brytanii małe centrum, w którym serwery są chłodzone przez olej mineralny, zapewnia przekazywanie energii uzyskanej w procesie chłodzenia do pobliskiego centrum rekreacyjnego z basenem pływackim – przez 60% czasu pracy centrum rekreacyjnego woda w basenie ogrzewana jest do temperatury 30°C [9]. W Norwegii jedno z centrum danych, gdzie chłodzenie realizowane jest za pomocą pompy ciepła, dla której źródłem dolnym jest woda morska z dna fiordu o temperaturze 8°C, wykorzystuje także ciepło zmagazynowane w podgrzanej wodzie chłodzącej o temperaturze 20°C. Woda ta kierowana jest do lądowej farmy homarów – temperatura 20°C zapewnia optymalne warunki do hodowli tych zwierząt [10].

Rozwiązaniem zrównoważonym środowiskowo i ekonomicznie są małe sieci, w których centrum danych jako dostawca energii stanowi jedną z części ekosystemu energetycznego, w skład którego wchodzą: sieci dystrybucji energii elektrycznej i cieplnej, sterowanie i monitoring oraz zasilanie elementów infrastruktury, np. oświetlenie, systemy monitoringu i bezpieczeństwa czy ładowania pojazdów elektrycznych. Jedną z istotnych zalet takiego rozwiązania jest wysoka sprawność funkcjonowania, ponieważ nie trzeba przesyłać energii na duże odległości [11].

Również coraz więcej samorządów lokalnych podejmuje współpracę z centrami danych. Powstające na przedmieściach Dublina budynki będą ogrzewane dzięki energii wytworzonej w centrum Amazon Web Services. Ciepło kierowane jest do 47 tys. m² powierzchni w budynkach publicznych, 3 tys. m² powierzchni handlowej oraz do 135 mieszkań, które przeznaczono na przystępny cenowo wynajem [12]. W fińskiej miejscowości Seinäjoki centrum danych wykorzysta 96% produkowanego ciepła odpadowego, z czego 90% kierowane jest do komunalnego systemu grzewczego – 150 MW produkowanej energii może pokryć większość zapotrzebowania miasta na energię cieplną [13]. We Frankfurcie do 2030 r. całkowite zapotrzebowanie miasta na ciepło ma być zaspokojone za pomocą energii pochodzącej z ciepła odpadowego z centrów danych. To wynik dużego projektu DC-HEAT (Data Center Heat Exchange with AI Technologies), realizowanego przez konsorcjum złożone z instytucji badawczych, operatorów centrów danych oraz stowarzyszeń branżowych [14].

Także w Polsce są już pierwsze przykłady wykorzystania ciepła odpadowego z serwerowni – w Poznaniu ciepło z dwóch centrów danych wykorzystywane jest do ogrzewania biurowca (nowsze Data Centre 2) oraz przestrzeni komercyjnej w pobliskim centrum handlowo-kulturalnym Stary Browar (Data Centre 1 mieszczące się w podziemiach) [15].

Wodorowe ogniwa paliwowe przyszłością branży?

Zagadnieniem istotnym z punktu widzenia zrównoważenia obiektu jest również zasilanie awaryjne – centra danych muszą być przygotowane do zachowania ciągłości operacji nawet przy okresowej niedostępności zasilania głównego. Obecnie za zasilanie awaryjne najczęściej odpowiadają generatory prądu z silnikami zasilanymi olejem napędowym, jednak równoważenie środowiskowe obiektów wymusza odchodzenie od paliw kopalnych i poszukiwanie alternatywy dla rozwiązania z olejem. W niektórych centrach można już znaleźć magazyny energii (akumulatory), które mogą podtrzymywać pracę centrum przez kilka godzin. Testowane są także wodorowe ogniwa paliwowe, które mają się stać docelową alternatywą dla spalinowych generatorów prądu, choć np. w Szwecji i Irlandii Amazon testuje rozwiązania, w których agregat prądotwórczy zasilany jest biopaliwem – uwodornionym olejem roślinnym. Rozwiązania wodorowe wymieniane są także (choć bardzo ogólnie) jako jedno z możliwych rozwiązań w polskiej ustawie o przygotowaniu i realizacji inwestycji w zakresie Krajowego Centrum Przetwarzania Danych [16]. Microsoft w Latham w stanie Nowy Jork testuje wodorowe ogniwa paliwowe PEM (ang. Proton Exchange Membrane – membrana protonowa) o mocy 3 MW jako zeroemisyjny zamiennik dla silników diesla.

Jeden z amerykańskich start-upów zaproponował także modułowe centrum danych, w którym jednostki zasilane są wodorowymi ogniwami paliwowymi – a więc pełni ono funkcję zasilania głównego. Taki blok ma moc 1 MW [17]. Ciekawie rozwiązano również chłodzenie dla tych modułów – autonomiczny system chłodzenia zasilany jest wodą stanowiącą produkt uboczny produkcji energii elektrycznej w ogniwach wodorowych. Rozwiązanie to skierowane jest przede wszystkim do firm o średniej wielkości [18].

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2023/1791 z dnia 13 września 2023 r. w sprawie efektywności energetycznej oraz zmieniająca rozporządzenie (UE) 2023/955 (wersja przekształcona) (Dz.Urz. UE L 231/1 z 20.09.2023)

2. IEA, Data Centres and Data Transmission Networks, https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks (dostęp: 10.10.2023).

3. PN-EN 50600-4-6 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 4-6: Współczynnik powtórnego wykorzystania energii

4. PN-EN 50600-4-3 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 4-3: Współczynnik energii odnawialnej

5. EN 50600-4-9. Information technology. Data centre facilities and infrastructures. Part 4-9: Water Usage Effectiveness

6. Climate Neutral Data Center Pact, https://www.climateneutraldatacentre.net/ (dostęp: 10.10.2023)

7. Manganelli Matteo, Soldati Alessandro, Martirano Luigi, Ramakrishna Seeram, Strategies for Improving the Sustainability of Data Centers via Energy Mix, Energy Conservation, and Circular Energy, „Sustainability” 2021, 13, 6114

8. Vad Sørensen Sara, Największe na świecie nie­wykorzystane źródło energii. Ciepło odpadowe, Danfoss, 2023

9. Kleinman Zoe, Tiny data centre used to heat public swimming pool, https://www.bbc.com/news/technology-64939558 (dostęp: 10.10.2023)

10. Hatchery Feed Management, Land-based lobster farming to use waste heat from data center, https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks (dostęp: 10.10.2023)

11. Rheid Phil, How do microgrids support net-zero carbon data center objectives, https://www.datacenterdynamics.com/en/marketwatch/how-do-microgrids-support-net-zero-carbon-data-center-objectives (dostęp: 10.10.2023)

12. Local community buildings in Ireland to be heated by Amazon data centre, https://www.aboutamazon.eu/news/amazon-web-services/local-community-buildings-in-ireland-to-be-heated-by-amazon-data-centre (dostęp: 10.10.2023)

13. Benefits of the Remov data center solution, https://www.remov.co (dostęp: 10.10.2023)

14. Data centres as Gamechangers for Urban Energy Supply: City of Frankfurt am Main Could Cover Most of its Heating Needs by 2030 with Waste Heat, https://international.eco.de/presse/data-centres-as-gamechangers-for-urban-energy-supply-city-of-frankfurt-am-main-could-cover-most-of-its-heating-needs-by-2030-with-waste-heat/ (dostęp: 10.10.2023)

15. Nasze centra danych, https://www.beyond.pl/centra-danych (dostęp: 10.10.2023)

16. Ustawa z dnia 7 lipca 2023 r. o przygotowaniu i realizacji inwestycji w zakresie Krajowego Centrum Przetwarzania Danych (DzU 2023, poz. 1501)

17. Hydrogen fuel cells could provide emission free backup power at datacenters, Microsoft says, https://news.microsoft.com/source/features/sustainability/hydrogen-fuel-cells-could-provide-emission-free-backup-power-at-datacenters-microsoft-says/ (dostęp: 10.10.2023)

18. ECL is developing hydrogen-powered data centre modules, https://fuelcellsworks.com/news/ecl-is-developing-hydrogen-powered-data-center-modules/ (dostęp: 10.10.2023)