Data centers as a source of low emission heat for local heating and district heating – A case study in Helsinki metropolitan area
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2018-08-20
Department
Major/Subject
Building Energy and HVAC Technology
Mcode
ENG21
Degree programme
Master's Programme in Energy Technology (EEN)
Language
en
Pages
91+3
Series
Abstract
Global digitalization has created increased need for data center services. Simultaneously, awareness of data centers’ electricity consumption and energy efficiency has increased. As part of their operation, data centers produce inevitably excess heat which, instead of being rejected to atmosphere, could be recovered and utilized for varying purposes. This would be economical alternative for data center operator as well as being environmentally friendly choice of action. The aim of this thesis was to examine utilization of data center excess heat for local heating and district heating from the perspective of data center operator. Thesis was constructed as case study in Helsinki metropolitan area. District heating operator’s newly published waste heat purchase pricing was evaluated from the perspective of data center operator. Emission reduction potential of data center excess heat was also discussed as well as possibilities of implementing similar heat recovery system into China. Both analyzed heat recovery scenarios were found out to create savings in the long run. Payback period of 8.7 years was acquired for district heating production while heat recovery to produce local heating payed itself back in 6.1 years. Acquired payback periods for heat recovery investments are significantly less than heat recovery equipment lifetime. Consequently, analyzed heat recovery investments can generally be considered to be profitable. Despite this, payback period should still presumably be reduced due to several uncertainties related to heat recovery before widespread utilization of data center excess heat can be expected. As increases in waste heat purchase pricing are less likely, some incentives could be needed to promote heat recovery in data centers. Results for on-site utilization of recovered data center excess heat highlighted the role of heat consumption profile considering the profitability of the heat recovery investment. Acquired emission factors for district heating produced from data center excess heat indicate high emission reduction potential in heating market in Finland and China. With wider utilization of heat recovery, data centers could become significant parts of district heating network.Globaalin digitalisaation seurauksena tarve palvelinkeskuspalveluille kasvaa jatkuvasti. Samanaikaisesti enemmän huomiota on alettu kiinnittää myös palvelinkeskusten lisääntyvään sähkönkulutukseen ja energiatehokkuuteen. Palvelinkeskusten toiminta tuottaa väistämättä ylijäämälämpöä. Sen sijaan, että ylijäämälämpö siirretään hukkalämpönä ilmakehään, se voitaisiin ottaa talteen ja hyödyntää erinäisissä kohteissa. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia palvelinkeskusten ylijäämälämmön hyödyntämistä paikallisesti lähistön rakennusten lämmittämiseen sekä kaukolämmöntuotannossa. Tarkastelu keskittyi kannattavuuteen palvelinkeskustoimijan näkökulmasta. Työ toteutettiin tapaustutkimuksena pääkaupunkiseudulla. Työssä kaukolämpötoimijan hiljattain julkaisemaa hukkalämmön ostohinnastoa arvioitiin palvelinkeskustoimijan näkökulmasta. Lisäksi osana työtä arvioitiin myös palvelinkeskuksen ylijäämälämmön päästövähennyspotentiaalia sekä mahdollisuuksia esitettyjen lämmöntalteenottojärjestelmien implementoimiselle Kiinaan. Molempien analysoitujen lämmöntalteenottojärjestelmien havaittiin synnyttävän säästöjä pitkällä aikajänteellä. Kaukolämpöä tuotettaessa investoinnin takaisinmaksuaika oli 8,7 vuotta ja vastaavasti paikallista lämmitystä tuotettaessa 6,1 vuotta. Lämmöntalteenottoinvestoinneille lasketut takaisinmaksuajat ovat selvästi lyhyempiä kuin laitteiston käyttöikä. Näin ollen analysoitujen lämmöntalteenottoinvestointien voidaan ajatella olevan kannattavia. Tästä huolimatta, jotta lämmöntalteenotto palvelinkeskuksissa yleistyisi laajemmassa mittakaavassa, pitäisi takaisinmaksuajan luultavasti olla vielä lyhyempi useiden lämmöntalteenottoon liittyvien epävarmuuksien seurauksena. Kaukolämpötoimijan hukkalämmön ostohinnaston nouseminen on epätodennäköistä, minkä seurauksena lämmöntalteenottoa tukevalle kannustimelle voisi olla tarvetta, jotta lämmöntalteenotto yleistyisi palvelinkeskuksissa. Tulokset ylijäämälämmön paikallisesta hyödyntämisestä korostivat lämmönkulutusprofiilin merkitystä lämmöntalteenoton kannattavuuden kannalta. Tuloksina saadut päästökertoimet palvelinkeskuksen ylijäämälämmöstä tuotetulle kaukolämmölle indikoivat merkittävää päästövähennyspotentiaalia sekä Suomessa että Kiinassa. Lämmöntalteenoton yleistymisen myötä palvelinkeskukset voisivat toimia merkittävänä osana kaukolämpöverkkoa.Description
Supervisor
Virtanen, MarkkuThesis advisor
Hajanti, PetteriKeywords
data center, excess heat, heat recovery, open district heating network
