Inginerii de la divizia Siemens din Elveţia propun un sistem genial de folosire a căldurii de la centrele de date pentru a încălzi oraşele din Europa | PiataAuto.md – Site-ul lumii auto din Moldova

25 Octombrie 2023, 22:21
Redacţia PiataAuto.md

Atunci când se vorbeşte de soluţii de a înlocui arderea de combustibil fosili cu surse de energie renegabilă, de foarte multe ori se vorbeşte de producţia de electricitate la nivel de ţară, continent sau planetă, de industrii şi de transporturi, de la maşini sau camioane, la nave sau avioane, dar încălzirea oraşelor este cumva trecut cu vederea. Dar, de fapt, în multe ţări consumul energetic, exprimat în calorii sau echivalent de kWh, este mai mare la energia termică necesară la nivel naţional decât cea electrică. Chiar şi în ţările cu industrie foarte dezvoltată, cifrele necesare pentru încălzirea oraşelor sunt foarte mari, uriaşe chiar. În ultimul timp, însă, mai ales elveţienii au început a dezvolta, propune şi implementa soluţii inovative. Soluţia despre care vorbim azi, însă, e una de-a dreptul genială prin faptul că foloseşte un lucru nedorit, generat la un punct, pentru a-l transforma în materie super dorită la celălalt punct. Un soi de reciclare a căldurii, mai simplu spus, din care au de câştigat enorm atât cei care scapă de ea, cât şi cei care o primesc.

Să le luăm pe rând, însă, pentru a înţelege limpede şi clar în ce constă genialitatea noii idei. Cu toţi cunoaştem că o locuinţă poate fi încălzită cu un şemineu sau sobă, arzând lemne, dacă e vorba de o casă mai izolată, de obicei, şi dacă lemnul există din abundenţă. E o metodă arhaică însă, chiar dacă uneori poate fi romantică. Arderea lemnului emite CO2, plus alte substanţe nedorite. În unele regiuni s-a mai păstrat arderea cărbunelui, atât individual, cât şi în centrale urbane. Încălzirea cu centrale de gaz metan e mult mai răspândită şi aparent rezultă doar în CO2 şi vapori de apă, fără alţi poluanţi, decât metan rezidual. În multe regiuni ale Europei este forma cea mai răspândită de a încălzi oraşele, fie prin mici cazane individuale, fie prin centrale mari, care ard gaz în cantităţi industriale mari, generând energie termică şi totodată electrică, prin efect secundar, iar apa fierbinte încălzită la centralele termice circulă în reţeaua unor oraşe spre calorifere. Dar şi acolo consumul de gaz e foarte mare în cifre absolute şi în emisii de CO2 generate.

Pentru un viitor regenerabil, avem nevoie să încălzim oraşele fără emisii CO2, iar pompele de căldură sunt deocamdată metoda cea mai eficientă disponibilă aproape universal. Acestea consumă electricitate, preluând căldura dintr-un mediu primar într-un circuit cu refrigerant, apoi compresează acel refrigerant, care devine fierbinte la presiune şi încălzesc astfel apa din mediul final, care circulă spre calorifere. Cu cât mai mică e diferenţa de temperatură din mediul primar în cel final, cu atât mai puţină compresare e nevoie şi cu atât mai puţină electricitate se consumă. Dar, per general, pompele de căldură sunt foarte eficiente şi consumă doar electricitate, fără emisii de CO2, iar dacă şi electricitatea e generată regenerabil — toată încălzirea locuinţei are loc fără emisii CO2 pe întregul ciclu. În Europa există multe ţări care folosesc pompe de căldură de decenii întregi, la case sau apartamente, ideea principală fiind că pompa trebuie să fie aproape de mediul final. Dar în ultimul an au început a apărea primele pompe de căldură uriaşe, în rol de încălzire centralizată a oraşe. Iniţial vorbeam de o centrală din Danemarca, construită într-un orăşel de 25.000 case, apoi s-a trecut la proiectul de face o centrală pe bază de pompă de căldură în cel de-al treilea oraş ca mărime din Danemarca. Iar acolo ca mediu primar al pompelor de căldură se foloseşte apa mării, care nu coboară niciodată sub zero, iar astfel pompele pot asigura încălzirea apei la 99 grade Celsius.

Foto: Centrală de încălzire a unui oraş prin pompe de căldură, Danemarca

Ei bine, o asemenea centrală, amplasată undeva departe de un ţărm maritim, ar trebui să folosească aerul ca sursă primară, iar aerul poate coborî şi la -20 sau -25 grade Celsius. Pompa poate funcţiona, însă va consuma mult mai multă electricitate dacă se vrea asigurarea unor temperaturi finale de 90-99%, pentru sistemul centralizat al unui oraş cu ţevi vechi. Iar aceste temperaturi mari la ieşirea din centrală sunt necesare în sistemele mari centralizate vechi, pentru că energia termică are pierderi pe drum, în timp ce circulă prin conducte, cam de 0,5-1,5% la fiecare kilometru de conducte. Asta înseamnă că, în funcţie de mărimea sistemului, în calorifer apa poate intra cu vreo 60-70 grade Celsius, chiar dacă a ieşit cu 99. Dacă pompa e lângă casă, apa poate avea şi 40 grade la ieşirea din ea sau chiar mai puţin. Deci, la instalarea lângă casă se câştigă la eficienţa pe circuit, în timp ce la sistemele centralizate se câştigă prin scalare. Marea provocare a încălzirii oraşelor prin pompe de căldură ar fi să asiguri un mediu primar care e în mod natural peste zero grade, precum apa mării sau adâncimea pământului, prin metodă geotermală, sau altă soluţie.

Foto: Oraşul Aalborg, Danemarca, al trelea ca mărime din ţară, care va beneficia de o centrală pe pompe de căldură

Ei bine, tocmai o altă soluţie au şi propus acum inginerii elveţieni. Aceştia au calculat că la nivelul Europei se consumă anual 1.045 TWh de energie termică prin sisteme centralizate, chiar dacă foarte multe ţări se bazează destul de puţin pe asemenea sisteme.

Foto: Cota sistemelor de încălzire centralizată în consumul total de energie termică din ţările Europei

Şi au mai publicat date că în structura acestor sisteme centralizate, combustibili fosili sunt majoritari în aproape toată ţările. România şi Bulgaria, de exemplu, au aproape 100% mizare pe combustibili fosili în încălzirea oraşelor. Şi aici intervine ideea lor genial㠗 centrele de date.

Puţini dintre noi ne imaginăm partea mecanică şi funcţională a tot ce înseamnă transmitere de date, fie că privim un film pe streaming, sau accesăm un serviciu cu date în cloud sau aproape orice transmitere de date, de la telefoane la maşini sau computere. Totul e conectat la fluxuri de date iar aceste centre de procesare şi stocare, cu servere imense, au ceva în comun — emit căldură din acele servere. De fapt, cea mai mare parte electricităţii consumate de aceste centre de date ajunge să fie efectiv disipată în căldură de procesoare. Chiar dacă eficienţa energetică per unitate devine tot mai bună, aceste centre de date sunt tot mai multe şi mai mari şi doar în Europa elveţienii estimează că în 2030 se vor consuma 160 TWh de electricitate anual doar pentru aceste centre de date. Asta e 3 ori şi un pic mai mult faţă de consumul anual de electricitate al României. Şi aşa cum spuneam, o mare parte din această electricitate ajunge să se transforme în căldură, iar centrele de date luptă cu acea căldură, încercând să o scoată din zona procesoarelor prin sisteme de climatizare şi ventilare, ca să menţină temperatura oprimă de funcţionare. Astfel, centrele de date consumă energie ca să disipeze căldura creată în urma consumului anterior de energie. Iar de cealaltă parte, centralele termice cheltuie altă energie ca să creeze căldură şi luptă cu frigul. Deci apare o conexiune logică evidentă, simplă şi genială — oare nu e logic să transferăm căldura nedorită de la centrele de date la centralele termice ale oraşelor?

Bineînţeles că este logic, dar nu e chiar atât de simplu. La prima vedere, am putea face conducte între un centru de date şi o centrală termică şi am rezolvat problema. Dar căldura disipată la centrele de date nu e de 70-90 grade, ci în jurul a 20-26 grade Celsius, pentru că acolo e temperatura optimă a serverelor şi sistemele de ventilare se străduie să nu supraîncălzească procesoarele pe la 45 sau 70 grade, că acestea s-ar defecta. Şi aici aproape că am putea deveni pesimişti — la ce bun dar acea căldură de 20-26 de grade din centrele de date, care mai şi pierderi pe drum, dacă nu putem trimite apa în sistemul de încălzire al oraşului la 20 sau 26 grade?

Răspunsul e în ceea ce am menţionat mai sus — centralele cu pompe de căldură. Am spus acolo că e foarte important ca acele pompe să aibă un mediu primar cu temperatură care e în mod natural mai mare de zero, pentru că astfel sunt şi mai eficiente. Iar căldura de 20-26 grade, venită de la centrele de date, este acel mediul primar perfect! Astfel, aceste centrale ar prelua căldura şi ar amplifica-o cu randament mult mai mare până la 70-99 grade sau oricât e necesar pentru sistemele centralizate. Şi pompele de căldură pot fi atât la centrul de date, trimiţând apa deja fierbinte către centrala termică de distribuţie, cât şi la sediul acelei centrale termice. Inginerii elveţieni spun că dacă o pompă de căldură centralizată pate avea un coeficient de performanţă (COP) între 3,0 şi 6,0, atunci sistemul lor ar garanta un COP întotdeauna la vârful de sus al randamentului, pe la 6,0 şi mai mult. Asta înseamnă că un kWh de electricitate pe care o va consuma pompa de căldură va genera minim 6 kWh de energie termică.

ŞI partea şi mai frumoasă e că şi pe partea centrului de date se realizează o economie uriaşă, întrucât se cheltuie mult mai puţin pe răcirea centrului de date. Şi, de fapt, spun elveţienii, în cifră absolută centrul de date face economii chiar mai mari în energie şi bani.

Inginerii de la divizia din Elveţia a Siemens, au prezentat şi nişte calcule de cifre. Un centru de date de 10 MW de putere consumată va genera aproape 10 MW de energie termică, pentru că, aşa cum spuneam, aproape toată energia ajunge să fie disipată în căldură în aceste centre. Coeficientul de performanţă final, când se cumulează şi circuitul de la centrul de date, şi la cel de la centrala cu pompă de căldură, ajunge la 10-20, deci COP total cuprins între 10 şi 20. Asta înseamnă că acest circuit va trebui să aibă o pompă de căldură de doar 10 MW pentru a asigura la final energie termică de 100-200 MW, iar această cifră e suficientă pentru un oraş cu 20.000 de case. Şi 100% din căldura emisă la centrul de date devine astfel folosită, iar aceste cifre pot fi scalate la oraşe mai mari. Raportate la un cost de 0,1 euro/kWh, cât au luat în calcul elveţienii, la electricitate, centrala oraşului la doar 10 MW putere, ar economisi 0,5 milioane de euro în comparaţie cu pompă de căldură care ar avea mediul primar aerul. Deci aici e beneficiul curat al căldurii primite de la centrul de date. La un oraş mai mare, asta poate însemna economii de 5-10 milioane de euro pe an şi poate face ca o centrală de pompă de căldură să se răscumpere în circa 9 ani, în loc de 30, pe lângă beneficiul lipsei de CO2. Şi, desigur, în multe ţări economia poate fi sau nu mai mare şi în comparaţie cu gazul.

Pa partea centrului de date, de doar 10 MW, se mai realizează economii de 1 milion de euro anual, datorită economiei pe sistemul de răcire. La centre şi mai mari, cifrele cresc şi mai mult. Şi toată ecuaţia se face cu zero emisii CO2 şi zero emanări de căldură nenecesară în atmosferă. Şi dacă ne-am întreba ce facem cu căldura vara — atunci răspunsul e simplu — asigurăm apă caldă menajeră, cu un consum de electricitate apropiat de zero, datorită acestui sistem!

E simplu şi eficient, deci, şi pentru că nimeni nu prea atrage atenţia la centrele de date, poate părea o problemă de nişă, cu situaţii de nişă. Dar dacă se consumă deja peste 100 TWh de electricitate anual pentru aceste centre de date, iar până în 2030 vom avea 160 TWh la nivel de continent, iar consumul total de energie termică e de circa 1.045 TWh, cifrele sunt importante. Iar când mai luăm în calcul şi diferenţa pe care o aduce coeficientul de performanţă, atunci când 160 TWh se pot transforma în 700 TWh şi mai mult de energie termică, ajungem la o situaţie când cel puţin oraşele alfa de departe de mări ar putea fi asigurate cu căldură din această sursă neaşteptată. Deci, nu sunt cifre de neglijat, şi totul ţine doar de a lua căldură de acolo unde de iroseşte în cantităţi uriaşe şi a o direcţiona acolo de unde e nevoie de ea, aducând dublă economie şi dublu randament în noul sistem creat din cele două componente.

ŞTIRI DE CARE AŢI PUTEA FI INTERESAT