Ny 3D-printet løsning reducerer energiforbruget til køling i datacentre markant

Datacentre står over for en voksende udfordring med stigende energiforbrug til køling af servere og GPU'er. Et europæisk forskningsprojekt har nu demonstreret en ny køleløsning, der reducerer energiforbruget betydeligt og forlænger levetiden på computerchips – og så muliggør løsningen genanvendelse af overskudsvarme.

I det nyligt afsluttede AM2PC-projekt har Teknologisk Institut og Heatflow sammen med to udenlandske partnere udviklet og testet en 3D-printet kølekomponent til datacentre og højtydende computere. Løsningen anvender passiv to-fasekøling og opnåede i tests en kølekapacitet på 600 watt – 50 procent mere end det oprindelige mål på 400 watt.

Udviklingen kommer på et tidspunkt, hvor datacentres energiforbrug udgør en stigende udfordring. I lande som Irland bruger datacentre fx en så stor andel af det samlede energiforbrug, at der er indført lovgivningsmæssige begrænsninger. 

- Udover selve IT-hardwaren er den tilhørende køleinfrastruktur en af de største energiforbrugere i et datacenter – og dermed det største potentiale for at forbedre den samlede systemeffektivitet, forklarer Simon Brudler, 3D-print specialist og seniorkonsulent på Teknologisk Institut.

Samtidig er GPU'ers effektforbrug steget fra 100-200 watt for få år siden til flere hundrede watt eller endda kilowatt i dag, så der er også behov for mere effektiv køling.

- Vi ser en udvikling, hvor effekttætheden i servere stiger hurtigere end nogensinde før, og traditionel luftkøling er simpelthen ikke tilstrækkelig længere. Med vores to-faseløsning kan vi fjerne varmen passivt uden pumper eller blæsere, hvilket reducerer energiforbruget til køling markant, siger Paw Mortensen, CEO i Heatflow, som stod i spidsen for AM2pC-projektet. 

Passiv køling uden energiforbrug
Den nye løsning adskiller sig fra konventionel luftkøling ved at bruge et kølemiddel, der fordamper på den varme overflade. Dampen stiger naturligt op på grund af forskellen i densitet, kondenserer et andet sted, hvor den afgiver varmen, og vender tilbage som væske ved hjælp af tyngdekraften. Den passive to-faseproces med kølemiddel – et såkaldt termosifon princip - kræver ingen pumper og forbruger derfor ingen energi til varmefjernelsen. Samtidig er fordampning langt mere effektiv end traditionel køling med luft og væske, så mængden af varme, der fjernes fra computerchippen, er langt højere - og chippen holdes køligere, hvilket er med til at forlænge dens levetid.

Nøglekomponenten i systemet er en fordamper, som Heatflow og Teknologisk Institut har udviklet og fremstillet ved hjælp af 3D-print. 

- Ved at 3D-printe komponenten kan vi integrere alle nødvendige funktioner i én samlet part. Det eliminerer samlingspunkter, reducerer risikoen for lækage og gør komponenten mere pålidelig. Samtidig bruger vi kun ét materiale, hvilket gør den lettere at genanvende, forklarer Simon Brudler.

Muliggør genanvendelse af overskudsvarme
Fokus for projektet har været at udvikle og fremstille fordamperen og validere dens ydelse. Det er lykkedes over al forventning – men et centralt resultat af projektet er også, at løsningen fjerner varme ved temperaturer mellem 60 og 80 grader Celsius. Når varmen udvindes ved så høje temperaturer, kan den bruges direkte i fjernvarmenettet uden yderligere energitilførsel, men den vil også kunne bruges til andre industrielle processer i fx fødevareindustri, tekstilindustri, papirindustri eller i landbruget til opvarmning af drivhuse - hvis disse processer er placeret i nærheden af varmeudledningen.

Til sammenligning fjerner traditionel luftkøling af servere typisk varmen ved lavere temperaturer, hvilket gør den mindre anvendelig til fjernvarme og industrielle processer.

- I projektet har vi ikke fokuseret på selve integrationen til fjernvarme, men vi har demonstreret, at teknologien muliggør det. Det er et vigtigt skridt mod mere energieffektive datacentre, der kan bidrage positivt til det samlede energiregnskab, understreger Simon Brudler.

Mindre materialeforbrug og bedre genanvendelighed
Ud over energibesparelsen under drift viser projektet også miljømæssige fordele i fremstillingen. Ved at anvende 3D-print reduceres det samlede materialeforbrug sammenlignet med konventionelle løsninger, der består af flere komponenter i forskellige materialer.

Og da komponenten netop er fremstillet i ét materiale, kan den lettere genanvendes ved endt levetid, da der ikke er behov for adskillelse af forskellige materialer. 

Da der er tale om et demonstrationsprojekt, er det for tidligt at tale om endelige miljøgevinster, men livscyklusanalyser indikerer, at løsningen kan reducere de samlede emissioner med 25-30 procent pr. enhed.

Om AM2PC-projektet
AM2PC er et europæisk forskningsprojekt, som har fokus på at udvikle en 3D-printet komponent til to-fasekøling af datacentre. Projektet er støttet af M-ERA.NET, hvor den danske bevilling kommer fra Innovationsfonden. Det samlede budget er på DKK 10 millioner, og projektperioden er 2023 til 2025. Ud over Heatflow ApS og Teknologisk Institut fra Danmark deltager også Open Engineering fra Belgien og Fraunhofer IWU fra Tyskland.