Kannattavuusmalli datakeskuksen hukkalämmön hyödyntämiseen kaukolämpöverkossa

Abstract

Työn tavoitteena oli luoda laskentamalli, jolla voidaan arvioida taloudellisia ja ekologisia vaikutuksia, joita datakeskusten hukkalämmön hyödyntäminen kaukolämpöverkossa synnyttää. Työ toteutettiin konstruktiivisella tutkimusotteella. Hukkalämmön hyödyntämisen vaikutukset mallinnettiin kirjallisuuskatsauksen pohjalta ja syntynyttä laskentamallia testattiin tapaustutkimuksena. Kirjallisuuskatsauksessa käytettiin lähteinä datakeskuksien jäähdytykseen ja hukkalämpöön liittyviä tutkimuksia sekä aiemmin tehtyjä kyselytutkimuksia hukkalämmön hyödyntämisestä kaukolämpöverkossa. Kirjallisuudesta löydettyjen teknisten toteutuksien ja rajoituksien pohjalta mallinnettiin lämmöntalteenoton vaikutukset ja luotua mallia testattiin Mikkelin kaukolämpöverkossa kolmen eri kokoisen ilmajäähdytteisen datakeskuksen tapauksessa.

Työn tuloksena syntynyt kannattavuusmalli toimii testauksen perusteella ilmajäähdytteisten datakeskuksien tapauksessa kaukolämpöverkoissa, joissa on useita lämmöntuotantopaikkoja ja yhdistettyä sähkön- ja lämmöntuotantoa. Malli on kehitetty niin, että sitä voidaan käyttää myös laajemmin erilaisten kaukolämpöverkkojen ja datakeskusten tapauksissa silloin, kun hukkalämpöä syötetään verkkoon lämpöpumpun kautta. Mallin avulla voidaan määrittää lämmöntalteenoton kustannukset ja säästöt, joita nykyisen kaukolämmön tuotannon ja datakeskuksen jäähdytyksen väheneminen tuo. Lisäksi malli huomioi yhteistuotantolaitosten sähköntuotannon vähenemisen, ja lopputuloksena saadaan tieto lämmön hyödyntämisen taloudellisesta kannattavuudesta. Mallin avulla voidaan arvioida myös kaukolämmön tuotannossa syntyvät päästövähennykset ja datakeskuksen energiatehokkuudesta ja energian uudelleenkäytöstä kertovien tunnuslukujen muutokset. Laskentamalli arvioi lämmöntalteenotosta syntyviä vaikutuksia datakeskus- ja kaukolämpötoimijoiden näkökulmasta, mutta ei ota huomioon mahdollisia laajempia alueellisia vaikutuksia.

The aim of the study was to create a calculation model for estimating economic and environmental impacts that are results from a data center’s waste heat utilization in a district heating system. The study was made by a constructive approach. The impacts of the waste heat utilization were modelled based on a literature review and the created calculation model was tested as a case study. The resources of the literature review were studies about data center’s cooling and waste heat and waste heat utilization in the district heating system. The results of the review were technical solutions and limitations of the waste heat recovery and they were used to create the calculation model. The model was tested with the three different size air-cooled data centers in the district heating system of Mikkeli.

In according to the case study, the created profitability model can be used for the air-cooled data center in the district heating system with multiple heating plants and CHP-production. The model was developed to work also widely for different district heating systems and data centers, when waste heat is utilized with a heat pump. The model can be used to calculate the costs of the waste heat recovery and the savings produced by the decreasing of the current district heating production and data center’s cooling. The reduction of the electricity production in the CHP-plant is also considered, and as a result the profitability of the waste heat utilization is calculated. Furthermore, the model estimates emission reductions caused by the decreasing district heating production and calculate the changes of the data center’s energy efficiency and energy reuse indicators. The profitability model estimates the impacts only for data center and district heating operators, and possible wider impacts for the other companies and people in the area are not considered.