Reducing district heating carbon dioxide emissions with data center waste heat

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-03-20
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
94+3
Series
Abstract
Climate targets pressurize district heating (DH) companies to decarbonize heat production and improve energy efficiency and waste heat utilization of data centers (DCs). District heating companies must transition to emission-free heat production to meet the required targets as well as to decrease their costs. New EU regulations for DCs will require increased focus on sustainability and waste heat utilization of data centers. This study includes an energyPro software modeling of a district heating network with a planned 21 MW data center in the Ostrobothnia region in Finland. The modeling is executed for past years 2010-2021 and future years 2025 and 2030 to investigate the effect of data center waste heat in DH network. The model includes financial, environmental and technical data of the DH network. The aim of the model is to minimize net production costs. To achieve a holistic view of the expected impacts of the DC in the region, interviews with multiple stakeholders were conducted. The interviewees highlighted that the DC would improve local economic activity and the international network of the region. They also underlined that DH companies should not be dependent on only one DC due to the competitive and volatile nature of the DC industry. Five future scenarios with assumptions on electricity, fuel and CO2 prices were modeled to analyze the reduction of district heating CO2 emissions with DC waste heat and related cost savings. The results indicate that the utilization of DC waste heat in the DH network decreases CO2 emissions cost-effectively, as waste heat replaces peat use. In scenarios with higher biomass prices, DC waste heat brings the most positive impact. Waste heat utilization decreases emissions and costs the most when biomass price is high. This study shows that DC waste heat is a steady source of heat. However, the emission-free heat from the DC is dependent on the availability of low-carbon electricity. The study also finds that the reduction of CO2 emissions with DC waste heat can be cost-effective. This is essential as the DC industry grows, and new regulations push the industry to be more sustainable.

Ilmastotavoitteet painostavat kaukolämpöyhtiöitä vähentämään hiilidioksidipäästöjä lämmöntuotannossa sekä kohentamaan datakeskusten energiatehokkuutta ja hukkalämmön hyötykäyttöä. Tämä tutkimus sisältää energyPro-ohjelmalla tehdyn mallinnuksen Pohjanmaalla sijaitsevasta kaukolämpöverkosta ja suunnitellusta 21 MW datakeskuksesta. Mallinnus on tehty vuosille 2010–2021 sekä tuleville vuosille 2025 ja 2030, jotta voidaan tutkia datakeskuksen hukkalämmön vaikutusta kaukolämpöverkkoon. Malli sisältää dataa kaukolämpöverkon taloudellisesta ja teknisestä toiminnasta sekä sen ympäristövaikutuksista. Mallin tavoitteena on minimoida nettotuotantokustannukset. Tutkimusta varten haastatellut asiantuntijat korostivat, että datakeskus parantaa alueen taloudellista toimintaa ja kansainvälisyyttä. He myös painottivat, että kaukolämpöyhtiön ei tulisi olla riippuvainen yhdestä suuresta datakeskuksesta, sillä datakeskusten toimiala on varsin epävakaa ja kilpailtu. Datakeskuksen hukkalämmön vaikutusta kaukolämmön CO2-päästöihin ja kuluihin on tutkittu mallintamalla viisi tulevaisuuden skenaariota eri oletuksilla sähkön, polttoaineen ja päästöoikeuksien hinnoista. Tulokset osoittavat, että datakeskushukkalämmön hyödyntäminen kaukolämpöverkossa vähentää CO2-päästöjä kustannustehokkaasti korvaten turpeen käyttöä. Datakeskushukkalämpö vähentää päästöjä ja kustannuksia eniten skenaarioissa, joissa on korkea biomassan hinta. Tutkimus osoittaa datakeskushukkalämmön olevan vakaa lämmön lähde ympäri vuoden. Jotta datakeskuksesta tulevaa lämpöä voidaan kutsua päästöttömäksi, tulee sen käytössä olla vähäpäästöistä sähköä. Tutkimuksessa selviää myös, että CO2-päästöjen vähentäminen datakeskushukkalämmön avulla voi olla kustannustehokas ratkaisu. Tämä on tärkeää, sillä datakeskusten määrä tulee tulevaisuudessa kasvamaan ja uudet regulaatiot ajavat alaa toimimaan entistä kestävämmällä pohjalla.
Description
Supervisor
Syri, Sanna
Thesis advisor
Hiltunen, Pauli
Keywords
district heating, data center waste heat, emission reduction, cost optimization
Other note
Citation