Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Выбор энергоцентра на базе систем тригенерации для ЦОД

П. А. Пташкин, заместитель заведующего отделом разработки схем и программ развития систем энергоснабжения НТЦ «Комплексное развитие инженерной инфраструктуры» АО «Газпром промгаз»

Д. А. Мильков, заведующий отделом разработки схем и программ развития инженерной инфраструктуры НТЦ «Комплексное развитие инженерной инфраструктуры» АО «Газпром промгаз»

Ю. В. Юферев, д. т. н., профессор, руководитель проектов НТЦ «Комплексное развитие инженерной инфраструктуры» АО «Газпром промгаз»

Аннотация

В последние годы в научных исследованиях и прикладных разработках все большее внимание уделяется созданию энергоцентров (ЭЦ) для центров обработки данных (ЦОД) на основе технологий тригенерации (Combined Cooling, Heating and Power, CCHP). Такие энергоцентры используют комбинированную выработку электрической, тепловой энергии и холода для надежного энергоснабжения критически важных объектов с наибольшей энергетической эффективностью.

В данном исследовании рассматривается подобная интегрированная энергетическая система, включающая ЭЦ с технологией тригенерации (CCHP) для ЦОД (ЭЦ CCHP ЦОД). Предложены схемные решения, рассмотрены энергетические балансы и выполнена технико-экономическая оценка двух вариантов ЭЦ ЦОД.

Ключевые слова:

Центр обработки данных, энергоцентр, когенерация, тригенерация, газопоршневая установка, газопоршневой агрегат, абсорбционная холодильная машина, тепловой насос, котел-утилизатор, чиллер, капитальные затраты, операционные расходы, утилизация, температурный график, система централизованного теплоснабжения.

Введение

В работе [1] ЦОД рассматривается как наиболее перспективный потребитель для ТЭЦ и сделан вывод о том, что развитие объектов электрогенерации может быть увязано с обеспечением потребностей ЦОД в электрической энергии и охлаждении.

В работе [2] показан приоритет локальной генерации для энергоснабжения ЦОД, обоснован выбор мощности энергоцентра, состав оборудования с учетом надежности и резервирования, а также возможность интеграции в систему централизованного теплоснабжения путем утилизации избыточного тепла.

Данное исследование является продолжением указанных выше работ.

Современные ЦОД требуют не только высокой надежности электроснабжения, но и максимальной энергоэффективности. Одним из перспективных направлений является строительство ЭЦ CCHP ЦОД. Такая энергетическая система позволит обеспечить ЦОД электрической энергией, холодом, а также утилизировать избыточное тепло серверов, отдавая его в систему централизованного теплоснабжения (СЦТ).

Электроснабжение является ключевым фактором при обосновании проектирования и строительства новых ЦОД. По-прежнему в структуре себестоимости ЦОД крупнейшей статьей является стоимость потребляемой электроэнергии, которая составляет порядка 48% [3]. Длительные сроки подключения к электросетям и ограниченная доступность мощностей оказывают существенное влияние на темпы создания новых объектов. В этой связи наметилась устойчивая тенденция к переходу на полностью автономное электроснабжение ЦОД, доля которого в 2025 году составляла порядка 1%, а к 2030 году по прогнозу АЦ ИКС и «Парус электро» будет составлять уже 25–30%.

Применение тригенерации также получает развитие, в частности, в работе [4] исследуется интегрированная система охлаждения ЦОД с рекуперацией тепла и накоплением на базе ГПУ и АБХМ, что повышает энергоэффективность до 67% и снижает показатель эффективности использования энергии (PUE) до 1,2–1,3.

В данной публикации рассматривается ЭЦ CCHP ЦОД на базе ГПУ и абсорбционного теплового насоса (далее — АБТМ). Предложены схемные решения, балансы мощности, рассмотрены возможности прямой утилизации тепла, выполнена технико-экономическая оценка, что является актуальным исследованием для развития локальной генерации ЦОД.

Результаты исследования. Баланс мощности

В [2] указано, что выбор максимальной электрической мощности ЭЦ до 25 МВт является оптимальным решением, которое позволяет реализовать преимущества когенерации с минимальными регуляторными барьерами.

Для исследования в данной работе принят ЭЦ установленной электрической мощностью 24 МВт с вариативностью оборудования, рассмотренной ранее в [2].

Суммарная тепловая мощность «нетто» ЭЦ представлена в табл. 1 и оценивается в 25 МВт.

Таблица 1. Баланс тепловой мощности ЭЦ, МВт

Тепловая схема ЭЦ при интеграции ее с СЦТ определяется соотношением режима работы контура охлаждения ЦОД и температурным графиком тепловой сети.

Для ЦОД со стойками 12,5–14,0 кВт с температурным режимом работы контура охлаждения 60/50 °С и температурным графиком системы централизованного теплоснабжения 115/55 °С [2] может применяться схема прямой утилизации тепла, представленная на рис. 1А.

Комбинированная схема утилизации тепла, представленная на рис. 1Б, может применяться для ЦОД:

• со стойками 10,0–12,5 кВт с режимом охлаждения 50/40 °С, при температурном графике СТЦ 115/55 °С;
• со стойками 12,5–15,0 кВт с режимом охлаждения 60/50 °С, при температурном графике СТЦ 130 (150)/70 °С [2].

Для использования тепла от ЦОД со стойками 7,5–10,0 кВт и температурным режимом работы контура охлаждения 40/30 °С необходимо применять АБТН [2]. Схема включения АБТН для использования тепла от ЦОД представлена на рис. 1В.

Рис. 1. Схемы использования теплоты ЦОД в СЦТ

Энергоэффективность

В схеме прямой утилизации 1А тепло ЦОД передается в сетевую воду через экономайзер при согласованных температурных графиках, обеспечивая полное его использование в системе теплоснабжения (см. табл. 2).

Таблица 2. Структура тепловой мощности ЭЦ прямого использования тепла ЦОД, МВт

Схема со смешанной утилизацией 1Б комбинирует прямой теплообмен с АБТН, что позволяет также использовать все тепло ЦОД. При этом АБТН увеличивает температурный напор и позволяет охлаждать оборотную воду ЦОД ниже обратной температуры СЦТ, расширяя область применимости данной схемы (см. табл. 3).

Таблица 3. Структура тепловой мощности ЭЦ комбинированного использования тепла ЦОД, МВт

В схеме теплонасосной утилизации 1В к АБТН подводится тепло от котлов‑утилизаторов ГПА, мощность которых позволяет утилизировать порядка 60% из доступных 10 МВт тепла ЦОД. Оставшееся тепло ЦОД рассеивается в атмосферу традиционным способом (см. табл. 4).

Таблица 4. Структура тепловой мощности ЭЦ с теплонасосной утилизацией тепла, МВт

Эффективность ЭЦ в зависимости от тепловой мощности, схемы утилизации тепла и температурных графиков СЦТ представлена в табл. 5.

Таблица 5. Тепловая мощность ЭЦ в зависимости от температурных графиков СЦТ

Технико-экономическая оценка

В настоящей статье выполнена технико-экономическая оценка двух вариантов ЭЦ ЦОД. Первый вариант — это исследуемый ЭЦ CCHP ЦОД, основные показатели которого представлены в табл. 4. Второй вариант — это ЭЦ ЦОД без утилизации теплоты.

Оценка капитальных затрат по вариантам проводилась на основе усредненных удельных показателей капитальных затрат (см. табл. 6).

Таблица 6. Капитальные затраты рассматриваемых вариантов

Технико-экономические показатели работы ЭЦ по вариантам приняты в соответствии с табл. 7.

Таблица 7. Технико-экономические показатели работы ЭЦ по вариантам

Показатели экономической эффективности определялись при следующих параметрах:

• расчет ведется в ценах одного года;
• ставка дисконтирования — 12%;
• глубина просмотра — 25 лет.

По варианту 1 учитывалась дополнительная выработка электрической энергии на ГПА для работы АБТН. Цена отпускаемой тепловой энергии в СЦТ определяется по топливной составляющей отпуска тепловой энергии с коллекторов газовой котельной с 92% КПД котлов и 1% собственных нужд.

По результатам финансового моделирования рассчитана цена реализации электрической энергии ЭЦ ЦОДу в объеме 6,1 руб./кВт·ч. Расчет показателей экономической эффективности представлен в табл. 8).

Таблица 8. Показатели экономической эффективности вариантов ЭЦ

Расчеты показали, что при определенных условиях, несмотря на бо́льшие капитальные затраты в варианте 1, дополнительная утилизация тепла может повышать экономическую эффективность проекта строительства энергоцентра.

Выводы

1. Максимальная энергоэффективность ЭЦ достигается при полной утилизации тепла ЦОД прямым теплообменом или комбинированной схемой с АБТН. Вариант только теплонасосной утилизации тепла дает более низкие показатели (21,36 МВт, COP = 1,42). Окончательный выбор при проектировании ЭЦ будет зависеть от соотношения температурных графиков тепловой сети и режима охлаждения ЦОД.
2. Выполненная технико-экономическая оценка показала эффективность утилизации тепла ЦОД при определенных условиях (вариант 1), что дает основание для строительства ЭЦ CCHP ЦОД, если рассматривать такое строительство как отдельный инвестиционный проект.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. А. Цветков, П. А. Пташкин, Д. А. Мильков, Ю. В. Юферев, А. С. Горшков. Централизованное энергоснабжение потребителей в проектах комплексного развития территорий в зоне действия объектов электрогенерации группы компаний ПАО «Газпром». Инженерные системы, № 3 2025, стр. 46–50.
2. Пташкин П. А., Юферев Ю. В. Локальная генерация для центров обработки данных. АВОК, № 6, 2026, стр. 66–70.
3. Геркусов А. Типовая финансовая модель проекта ЦОД в Санкт-Петербурге, ЦОД ЭКСПЕРТ, 2025 г.
4. Energy Performance Study of a Data Center Combined Cooling System Integrated with Heat Storage and Waste Heat Recovery System (Buildings, MDPI, 2025).
5. Karol Witkowski, Paul Haering, Stephan Seidelt, Nicole Pini. Role of thermal technologies for enhancing flexibility in multi-energy systems through sector coupling: technical suitability and expected developments (IET Energy Syst. Integr., 2020, Vol. 2 Iss. 2, pp. 69–79).
6. Prvulovic Slavica, Micic Ivica, Radosav Dragica, Josimovic Milios, Juric Slobodan, Novakov Vladislav. Testing the energy efficiency of CHP engines and cost-effectiveness of biogas plant operation (IET Renew. Power Gener. 2023; 17:555–562).
7. Best available technologies for the heat and cooling market in the European Union (European Union, 2012, ISBN 978-92-79-25608-0).
8. Technology Data — Energy Plants for Electricity and District heating generation (Danish Energy Agency and Energinet, https://ens.dk/sites/ens.dk/files/Statistik/technology_data_catalogue_for_el_and_dh_-_0009.pdf).
9. Схема теплоснабжения Санкт-Петербурга на период до 2050 года (актуализация на 2027 год). Приказ Минэнерго России от 17.08.2026 № 205тд.
10. Distributed Generation, Battery Storage, and Combined Heat and Power System Characteristics and Costs in the Buildings and Industrial Sectors. March 2024. U.S. Department of Energy Washington, DC 20585. https://www.eia.gov/analysis/studies/buildings/dg_storage_chp/pdf/dg_storage_chp.pdf

Скачать PDF-файл статьи «Выбор энергоцентра на базе систем тригенерации для ЦОД»