Torkning av biomassa med restvärme från datacenter
- en förstudie
Kristina Sandström
Civilingenjör, Hållbar energiteknik 2018
Luleå tekniska universitet
Institutionen för teknikvetenskap och matematik
Förord
Denna rapport är resultatet av mitt examensarbete på utbildningen Civilingenjör inom Hållbar energiteknik med inriktning Bioenergi och energieffektivisering vid Luleå tekniska universitet. Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och har utförts hos RISE SICS North AB i Luleå.
Jag vill tacka min handledare Mattias Vesterlund på RICE SICS North för all hjälp och stöttning jag fått under genomförandet av detta arbete. Jag vill även tacka personalen på RISE SICS North som varit till stor hjälp under arbetet. På Luleå tekniska universitet vill jag tacka min examinator Erik Elfgren för den feedback jag fått under tiden för mitt arbete och Elisabeth Wetterlund för input och vägledning. Även tack till företaget Ebm- papst för lån av utrustning.
Kristina Sandström Luleå, 2018-06-18
Sammanfattning
Datacenterindustrin är en växande industri vilket medför att IT-utrustning idag tillverkas med högre effekter, som i sin tur leder till högre värmeflöden i datacentren då dessa är i drift. För att IT-utrustningen skall fungera säkert, vara tillgänglig och pålitlig krävs att den värme som generas kyls bort och transporteras bort från IT-utrustningen. Van- ligen sker detta genom att luft blåses genom utrustningen. Eftersom värme kyls bort är datacenter inte bara en källa till IT-tjänster utan även en källa till restvärme i form av luft med låg temperatur. Den låga temperaturen gör att det är utmaning att hitta användningsområden för den.
I detta examensarbete har möjligheten att använda denna värme för att torka träflis för produktion av energikol genom pyrolys undersökts.
För att undersöka mängden restvärme som finns tillgänglig undersöktes vilka datacenter som finns i norra Sverige och deras lufttemperaturer, luftflöden samt installerad och för- brukad IT-effekt. Den tillgängliga mängden biomassa undersöktes hos biomassaaktörer i norra Sverige och en marknadsundersökning genomfördes över vilka lämpliga torkutrust- ningar som finns.
För att beräkna hur mycket träflis som kan torkas vid en viss IT-effekt och frånluftstem- peratur genomfördes experiment i ett testdatacenter. I experimenten undersöktes vilka luftflöden som fås ut ur testdatacentret vid olika frånluftstemperaturer och IT-effekter.
Utifrån dessa flöden och teori för torkning av biomassa beräknades mängden fuktig bio- massa som kan torkas samt den resulterande mängden torkad biomassa.
Experimenten genomfördes med IT-effekter mellan 32-61 kW. Dessa gav torkeffekter mel- lan 26-58 kW. Att torkeffekterna är lägre beror på att förluster skett under experimenten och för att energin som krävts för att värma upp vattnet i luften räknats bort. De från- luftstemperaturer som testades var 30, 35, 40 och 45 C.
I experimenten resulterade de lägre temperaturerna i högre luftflöden på grund av att mer kylning krävts. Vid dessa temperaturer har även biomassaflödena blivit högre. Av detta dras slutsatsen att luftflödet väger tyngre än temperaturen då restvärme från datacenter används.
Experimenten resulterade i frånluftsflöden mellan 0,86-2,5 m3/s där en stor del utgörs av ett torrt luftflöde. Dessa luftflöden gav ett fuktigt biomassaflöde på 0,28-0,70 m3s/h (kubikmeter stjälpt per timme) vilket motsvarar 0,23-0,58 m3s/h torkad biomassa.
Nyckelord: Datacenter, restvärme, biomassa, träflis, torkning.
Abstract
The data center industry is a growing industry. This means that the IT-equipment ma- nufactured today have a higher power output, which in turn leads to a higher heat flow in the data centers when these are in operation. For the equipment to work safely, be available and reliable, the IT-equipment needs to be cooled. This is usually accomplished by blowing air through the equipment. Because data centers needs cooling, they are not only suppliers of IT services but also a source of residual heat. This residual heat consists of low temperature air flows which makes it a challenge to find a field of application.
This master thesis has examined the possibility of using residual heat from data centers to dry wood chips for production of energy carbon through pyrolysis.
To know the amount of residual heat available at data centers, a market study was car- ried out over data centers located in the north of Sweden. A survey was conducted with questions about their air temperatures, air flows as well as consumed and total instal- led IT-power. Two additional surveys were also carried out, sent to biomass companies and drying manufacturers, investigating the amount of available biomass in the north of Sweden and which drying equipments are available.
To be able to calculate the amount of wood chips that can be dried with a specified IT-power and exhaust air temperature, experiments were conducted in a data center test facility. In the experiments, airflows at different exhaust air temperatures and IT-power are investigated. From these airflows and theory for drying of biomass, the amount of moist biomass that can be dried were calculated, along with the resulting amount of dried biomass.
The experiments were carried out with IT-powers between 32-61 kW. This resulted in drying powers between 26-58 kW. The drying powers were lower to due to losses during the experiments and because some power is required to heat the water in the air. The exhaust air temperatures in the experiments were 30, 35, 40 and 45 C.
The experiments with lower temperatures resulted in a larger airflow due to the higher de- mand of cooling. Furthermore, higher air flows have resulted in higher biomass flows. From this the conclusion is drawn that the airflow is more important than the air temperature when residual heat from data centers is used.
The experiments resulted in exhaust airflows between 0,86-2,5 m3/s where most of it consists of a dry airflow. These airflows resulted in a moist biomass flow of 0,28-0,70 m3s/h (aerated cubic meter per hour) which corresponds to 0,23-0,58 m3s/h dried biomass.
Key words: Data center, residual heat, bio mass, wood chips, drying.
Innehåll
1 Inledning 1
1.1 RISE SICS North AB . . . 2
1.2 Syfte och mål . . . 2
1.3 Problemformulering . . . 2
1.4 Avgränsningar . . . 2
2 Bakgrund 3 2.1 Liknande studier och tillämpningar . . . 3
2.2 Kylning i datacenter . . . 4
2.2.1 Vätskekyla . . . 5
2.2.2 Luftkyla . . . 6
2.2.3 Separation av luftströmmar . . . 6
2.3 Biomassa . . . 7
2.3.1 Pyrolys . . . 7
2.3.2 Pelletering . . . 8
2.4 Torkning av biomassa . . . 8
2.4.1 Torkning med luft . . . 8
2.4.2 Torkmetoder . . . 9
3 Beräkningsteori 11 3.1 Flöde och tryckfall i en rörkrets . . . 11
3.2 Torkning och fuktig luft . . . 11
3.2.1 Fuktkvot och torrhalt . . . 15
3.3 Enhetskonvertering för biomassa . . . 15
4 Metod 16 4.1 Kartläggning av datacenter . . . 16
4.2 Omvärldsanalys av tillgång på biomassa . . . 16
4.3 Tillgängliga torkutrustningar . . . 16
4.4 Experimentell uppställning . . . 17
4.4.1 Tryckfall och dimensionering av fläktar . . . 17
4.4.2 Sensorer och styrning . . . 17
4.5 Experiment . . . 18
4.5.1 Lagring av data . . . 18
4.6 Torkberäkningar . . . 19
5 Resultat och diskussion 21 5.1 Datacenter i norra Sverige . . . 21
5.2 Biomassa i norra Sverige . . . 22
5.2.1 Sågverk . . . 23
5.2.2 Massa- och pappersbruk . . . 24
5.2.3 Pelletstillverkare . . . 25
5.3 Torkutrustningar . . . 26
5.3.1 Akron . . . 26
5.3.2 SF Tec . . . 26
5.4 Experimentell uppställning . . . 27
5.4.1 Tryckfall och dimensionering av fläktar . . . 28
5.4.2 Val av fläktar . . . 30
5.5 Experiment . . . 31
5.5.1 Temperatur och relativ luftfuktighet . . . 31
5.5.2 Luftflöden . . . 33
5.5.3 Effekter och specifik torkkapacitet . . . 35
5.5.4 Biomassaflöden . . . 38
5.6 Övergripande diskussion . . . 40
5.7 Problemlösning under arbetets gång . . . 40
6 Slutsatser 42
7 Rekommendation för fortsatt arbete 43
Referenser 44
Beteckningar
Symbol Storhet Enhet
A Area m2
Ctork Specifik torkkapacitet kJ/(kg borttorkat vatten) Cp Specifik värmekapacitet kJ/(kg·K)
D Dimension mm
p Tryckfall Pa
F Förlust %
f Fukthalt %
h Entalpi kJ/kg
L Längd m
˙
m Massflöde kg/s
Q˙ Effekt W
RH Relativ luftfuktighet %
T Temperatur C
th Torrhalt %
V˙ Volymflöde l/s, m3/s, m3s/ha
v Hastighet m/s
X Fuktkvot %
x Specifik luftfuktighet (kg vatten)/(kg luft)
⇢ Densitet kg/m3
aKubikmeter stjälpt per timme
1 Inledning
Ett datacenter är en lokal eller ett utrymme som förvarar ett mindre eller större antal servrar tillsammans med utrustning som behövs för att hålla servrarna i drift. Servrarna är placerade i skåp, så kallade rack. För att hålla servrarna i drift behövs kraftmatning, an- slutning till internet, skydd mot dataintrång, kylning och brandskydd (IT-ord, u.å.). Om det skulle bli strömavbrott behövs även reservkraft, denna utgörs ofta av batteribackuper eller dieselgeneratorer som ska kunna leverera kraft tills att strömavbrottet är avhjälpt.
För att säkerställa driften i ett datacenter så kontrolleras temperatur och luftfuktighet (Fortlax, 2016).
Det finns tre olika typer av datacenter, traditionella-, colocation- och mining-datacenter.
Ett traditionellt datacenter är ett datacenter som finns hos ett företag och där företaget lagrar sin egen eller kunders data. Ett colocation-datacenter är ett datacenter där kunder hyr in sig med sin IT-utrustning. Ett colocation-datacenter tillhandahåller utrymme för IT-utrustning, kraft och kyla (PsychzNetworks, 2016). Ett mining-datacenter består av kraftfulla servrar som beräknar och löser komplicerade matematiska problem i samband med generering av kryptovalutor som till exempel Bitcion (IT-ord, 2013). Gränserna för dessa definitioner är inte hårdragna men ger en överblick av hur industrin ser ut. Som exempel kan ett miningföretag hyra in sig hos ett colocation-datacenter. I det fallet så är colocation-datacentret även i viss mån ett mining-datacenter.
Användningen och efterfrågan av datalagringsystem, databehandling, digital kommunika- tion, nätverk och beräkningskapacitet ökar vilket resulterat i en snabbt växande datacen- terindustri. IT-tillverkarna designar och producerar mer kompakta IT-utrustningar med högre effekter vilket har lett till att energiflödet från nyare datacenter ligger på 6 458- 10 764 W/m2 vilket är cirka 10 gånger högre än flödet från äldre datacenter som ligger på 430-861 W/m2 (Ebrahimi, Jones & Fleischer, 2014). Även användningen av elektricitet i datacenter ökar. Mellan åren 2000-2005 fördubblades elanvändningen och mellan åren 2005-2010 ökande den med 56 %. År 2010 stod datacenter för 1,3 % av världens energian- vändning och i framtiden förväntas det att energianvändningen i datacenter kommer att öka med 15-20 % per år (Capozzoli & Primiceri, 2015). En överslagsräkning ger då att datacenter idag står för cirka 4,7 % av världens energianvändning.
När IT-utrustningen i ett datacenter används alstras värme. De flesta fel som uppstår i ett datacenter uppstår på grund av för höga temperaturer, därför krävs kylning för att utrustningen ska fungera säkert, vara pålitlig och tillgänglig. Av ett datacenters to- tala energianvändning kan kylutrustningen stå för upp till 40 % (Capozzoli & Primiceri, 2015).
Eftersom att värmen som alstras av IT-utrustningen kyls bort blir datacenter inte bara leverantörer av datacentertjänster utan även en källa till restvärme. Restvärmen som finns tillgänglig från datacenter har låga temperaturer och det är därför en utmaning att ta tillvara på den (Ebrahimi m. fl., 2014).
Den vanligaste metoden som används vid kylning i ett datacenter är att låta kall luft passera genom IT-utrustningen, in på framsidan och ut på baksidan. Den kalla luften har vanligtvis en temperatur på 21-25 C och luften ut från baksidan som värmts upp av IT-utrustningen kan ha temperaturer på upp till 35-40 C. Potentiella användningsom- råden för restvärmen är till exempel fjärrvärme, uppvärmning av växthus, förvärmning
av bränsle, direkt uppvärmning av lokaler och byggnader eller torkning av biomassa för förädling. Av dessa användningsområden är det torkning av biomassa som anses ha högst potential just nu (Anderfors, Minde & Norberg, 2017).
1.1 RISE SICS North AB
RISE SICS North AB (SICS) är ett forskningsinstitut i Luleå som bedriver datacenter- forskning. Hos företaget finns datacentret SICS ICE vars syfte är att öka kompetensen inom bland annat hållbara och effektiva datacenterlösningar, molntillämpningar och da- taanalys. Det är en fullskalig forsknings- och testanläggning som består ett antal data- centermoduler som används för tester och experiment (SICS, 2017).
1.2 Syfte och mål
Examensarbetets syfte är att undersöka vilken möjlighet det finns att torka biomassa med restvärme från datacenter för framställning av energikol. Målet är att ta fram hur stor tor- keffekt som finns tillgänglig från datacenters restvärme utifrån luftflöden, lufttemperatur och luftfuktighet på den utgående luften från datacentret. Utifrån tillgänglig torkeffekt skall det tas fram hur stor mängd biomassa som kan torkas.
1.3 Problemformulering
För att uppnå examensarbetets syfte och mål krävs att följande frågor besvaras:
• Vilken geografisk spridning har datacenter?
• Vilka temperaturer och luftflöden finns tillgängliga från datacenter och vilken luft- fuktighet har luften?
• Vilken torkeffekt kan ovanstående ge?
• Vilka materialparametrar krävs vid torkning av biomassa?
• Hur stor är tillgången på biomassa?
• Vilka lämpliga torkanläggningar finns för biomassatorkning?
1.4 Avgränsningar
Studien som utförs har en geografisk avgränsning som består av de fem nordligaste land- skapen i Sverige. Dessa landskap är Lappland, Norrbotten, Västerbotten, Jämtland och Ångermanland. Biomassan som avses i detta arbete är träflis. Ytterligare en avgränsning är att det endast är den tekniska aspekten på biomassatorkning som utreds.
Examensarbetet är en del av projektet Circular flows – DataCenter 2 Biomass Drying - DC2BD som SICS genomför tillsammans med fler aktörer (Anderfors m. fl., 2017).
2 Bakgrund
Studier inom kylning av datacenter, energi i fuktig luft, vidareförädling av biomassa, biomassatorkning och torkutrustningar har genomförts kontinuerligt under arbetets gång för att tillhandahålla kunskap som varit nödvändig för genomförandet av examensarbetet.
Studierna har genomförts i böcker, rapporter, artiklar, produktspecifikationer, tekniska data, på websidor och via kontakt med företag eller personer verksamma inom områden som arbetet berör.
2.1 Liknande studier och tillämpningar
I detta stycke presenteras liknande studier som gjorts inom torkning av biomassa med restvärme. Även presenteras några befintliga eller tänkta användningsområden för restvär- me från datacenter i Sverige.
Torkning av biobränsle med spillvärme
I detta projekt, finansierat av Värmeforsk, studerades torkning av bark och sågspån från skogsindustrin med hjälp av spillvärmekällor på sågverk och massabruk. Ett resultat från projektet var att bäddtorkning är den mest lämpliga tekniken för torkning med restvärme eftersom att den är enkel. Även konstateras att luftbehovet vid torkning beror på luftens temperatur innan torkningen och att då luft av lägre temperatur används krävs det en större mängd (Johansson, Larsson & Wennberg, 2004).
Virkestorkning
E2B2 Forskning och innovation för energieffektivt byggande och boende är ett program för att utveckla ny kunskap, teknik, produkter och tjänster. I programmet samverkar akademi och näringsliv för att uppnå detta. I projektet Modulära och energieffektiva datacenters i trä studerades hur restvärme från datacenter skulle kunna användas för att torka trä i virkestorkar. I projektet undersöktes torkning i kammar- och vandringstorkar för två olika trämaterial och dimensioner. Projektets resultat är att restvärmen från ett datacenter på 1 MW räcker till 10-45 stycken virkestorkar beroende på typ av tork, trämaterial och dimension på trämaterialet. För detta användes ett torrt luftflöde på 25-35 kg/s för tester i kammartork och 90 kg/s för tester i vandringstork. Ytterligare ett resultat var att den specifika torkkapaciteten för torkning med restvärme från datacenter är 2 540 kJ/kg borttorkat vatten. Studien visar även att värmebehovet för kammar- och vandringstorkar till största del består av att värma upp den fuktiga luft som cirkulerar inne i torken och inte den torra luften som tillförs torken (Risberg, Sandberg, Lidelöw & Westerlund, 2017).
Uppvärmning av växthus
I projektet Green Power, även det genomfört av E2B2, undersöktes hur spillvärme från datacentret Hydro66 i Boden kan användas för att värma växthus eller andra byggnader.
I en datormodell växlas värmen i luftflödet från datacentret till vattenburen värme. Det
uppvärmda vattnet transporteras till den byggnad som skall värmas upp för att sedan recirkulera tillbaka till värmeväxlaren för att värmas på nytt med restvärmen från data- centret. Studien visade att den utgående luften från datacentret varierar från –20 C till +35 C och den relativa luftfuktigheten varierar mellan 13-65 %RH. Eftersom att tempe- raturen på luften ut från datacentret inte är så hög krävs att de grödor som eventuellt skall odlas i växthuset har ett litet värmebehov. En lämplig gröda skulle kunna vara svamp som uppskattningsvis kräver 50 W/m2 uppvärmd yta (Sandberg m. fl., 2017).
Pelletsproduktion
EcoDataCenter i Falun bygger just nu två datacenter, ett i Falun och ett i Stockholm (EcoDataCenter, 2017b). Datacenterna kommer vara integrerade i ett större energiekosy- stem där restvärmen kommer användas för uppvärmning av byggnader eller som värme till industriella processer. Deras anläggning i Falun ligger i anslutning till en kraftvärme- anläggning och en pelletsfabrik. Detta möjliggör att de kan använda restvärmen för att producera värme till det befintliga fjärrvärmesystemet i Falun och till torkprocessen i pel- letsproduktionen som normalt stänger ner under vintern på grund av brist på fjärrvärme.
Innan de använder värmen ökar de temperaturen på den till 95 C med värmepumpar (EcoDataCenter, 2017a). Enligt Børge Granli på EcoDataCenter (personlig kommunika- tion, 2 februari 2018) är deras mål att till år 2019 kunna försörja pelletsproduktionen med restvärme från datacentret, pelletsproduktionen kräver 10 MW.
Fjärrvärme
I Stockholm planerar företaget Borderlight att bygga en datorhall från vilken Fortum Värme ska återvinna restvärmen. Datorhallen är speciellt utformad för värmeåtervinning och kommer ha en installerad effekt på 5 MW. Restvärmen från denna hall beräknas täcka värmebehovet för 10 000 lägenheter. Den tekniska lösningen i datorhallen bygger på en nyutvecklad teknik med värmeåtervinning integrerad direkt i serversystemen. Värmen omvandlas sedan så att den går att leverera till Fortum Värmes fjärrvärmenät i Stockholm (Collet, 2017).
Företaget DigiPlex använder sig av indirekt luftkyla i sin datorhall. De har planer på att modifiera denna för att kunna leverera sin restvärme till fjärrvärmenätet hos Stockholm Exergi. Även de kommer kunna leverera 5 MW värme för att täcka värmebehovet för 10 000 lägenheter (Collet, 2018).
2.2 Kylning i datacenter
Höga temperaturer i ett datacenter kan påverka dess funktionalitet och livslängd. Den rekommenderade temperaturen i ett datacenter ligger mellan 18-27 C (ASHRAE, 2011).
Studier som gjorts visar att pålitligheten för hårdvaror minskar med 50 % för varje 10 C temperaturökning över 21 C (El-Sayed, Stefanovici, Amvrosiadis, Hwang & Schroeder, 2012). Ytterligare en studie visar att felfrekvensen ökar med 1,6 gånger vid en tempera- turhöjning från 20-35 C vilket motsvarar en ökning på 4 % per 1 C temperaturhöjning över 20 C (Lent, 2016).
Eftersom att datorutrustning blivit mindre till storleken men använder lika mycket eller mer energi gör det att mer värme genereras som måste kylas bort från datacentren. Pre- cisionskylning och kylutrustningar används för att förflytta värmen från datacentret till omgivningen utomhus (Evans, 2012). Ett kylsystem skall vara designat så att det klarar av att kyla bort värmen som genereras vid 100 % IT-last även om ett datacenter sällan är belastat så mycket. Många datacenter använder luftkylda system för att transporte- ra bort värmen. Utvecklingen av dessa system går mot lokala kylenheter och separation av luftströmmarna, ett resultat av den ökande energidensiteten (Capozzoli & Primiceri, 2015).
Nedan beskrivs två av de många kylmetoder som finns för att kyla datacenter. Valda metoder är vätskekyla och luftkyla. Vätskekyla har valts för att det är den metod som används på SICS. Luftkyla har valts då det är en kylmetod som varit på uppgång under de senaste åren och som även ökar ett datacenters energieffektivitet (Li, Zheng, Wang &
Wang, 2016).
2.2.1 Vätskekyla
Vätskekylning sker med hjälp av en computer room air conditioner, en så kallas CRAC- enhet. CRAC:en är placerad inne i datacentret och kylning sker genom att luft blåses över en rörkrets där kall kylvätska cirkulerar (Evans, 2012). Värmen från datacentret transpor- teras till en kompressorcykel där värmeväxling sker mot ett köldmedium. Enligt Mattias Vesterlund på SICS (personlig kommunikation, april 2018) avger köldmediet i sin tur vär- me till ny kylvätska som kyls med en vätskekylare som är placerad utanför IT-utrymmet.
Vätskan i vätskekylaren kyls med uteluft. Vätskekyla kan även kombineras med eller en- bart köras som frikyla då utetemperaturen tillåter. Frikyla innebär att kompressorcykeln delvis eller helt kopplas ifrån och att kylvattnet i datacentret värmeväxlas direkt mot kyl- vattnet i vätskekylaren. Om frikyla kan tillämpas så minskar energianvändningen eftersom att pumparbetet minskar i kompressorcykeln (BlueBox, 2017). Figur 1 visar principen för vätskekyla. De punktade linjerna representerar vätskeflöden då kompressorcykeln används och de streckade linjerna symboliserar vätskeflöden då frikyla används. De heldragna lin- jerna symboliserar vätskeflöden för både kompressorcykeln och frikyla.
Figur 1: Princip för vätskekylda system. Punktad linje = kompressorcykel, streckad linje = frikyla.
2.2.2 Luftkyla
Det finns flera olika varianter av luftkylda system för datacenter. Här presenteras direkt och indirekt luftkylt system. Ett direkt luftkylt system består av en luftkanal där uteluft tas in genom ett luftfilter till datacentret när uteluftens temperatur är inom specificerade börvärden. En del av den varma frånluften ut från datacentret kan återcirkuleras och blandas med uteluften då denna är för kall för att hålla den specificerade temperaturen in till datacentret (Evans, 2012).
I ett indirekt luftkylt system används en luft-luftvärmeväxlare för att undvika att luft- strömmarna blandas. När utomhusluften är kallare än börvärdet för tilluften till data- centret blåser fläktar den kalla utomhusluften genom värmeväxlaren som på andra sidan kyler luften som cirkulerar i datacentret (Evans, 2012).
Båda dessa kyltekniker används ibland tillsammans med en förångningskylare. I en förång- ningskylare passerar tilluften ett vått nätmaterial som sänker uteluftens temperatur yt- terligare innan den går in i datacentret. En fördel med luftkyla är att kylutrustningen är placerad utanför datacentret vilket gör att ytan inne kan användas fullt ut av IT- utrustningen samt att behovet av tillförd kyleffekt minskar. En nackdel är att det kan vara svårt att implementera tekniken i redan befintliga datacenter och att luftfiltret mås- te bytas oftare i områden med dålig luftkvalitet då direkt luftkyla används (Evans, 2012).
Figur 2 visar principen för de olika luftkylda systemen.
Figur 2: Principer för luftkylda system. Direkt luftkyla (till vänster) och indirekt luftkyla (till höger).
2.2.3 Separation av luftströmmar
Genom att separera varma och kalla luftströmmar i ett datacenter ökar energieffekti- viteten. Detta görs genom att placera racken i gångar där baksidorna och framsidorna växelvis är mot varann. Detta kallas cold-aisle containment system, CACS, eller hot-aisle containment system, HACS. CACS stänger inne den kalla gången och resten av data- centret blir en varm returluftskanal. Detta system kombineras ofta med upphöjt golv från vilket tilluften tillförs. HACS stänger inne den varma gången för att samla upp vär- men som IT-utrustningen genererar och resten av datacentret blir ett kallt utrymme. En implementering av HACS kan spara upp till 43 % av kylsystemets årliga energikostnad (Niemann, Brown & Avelar, 2017).
Figur 3 visar principen för CACS med det kalla luftflödet underifrån och principen för HACS med det kalla luftflödet från sidan. I figurerna tillförs den kalla luften med kom- pressorkylare, i figuren benämnd som Coolig unit, men det skulle även kunna tillföras via andra kylmetoder, till exempel med de tekniker som beskrivits ovan.
Figur 3: Princip för CACS (till vänster) och HACS (till höger) (Niemann m. fl., 2017).
2.3 Biomassa
När man talar om biomassa inom energiteknik avses material med biologiskt ursprung som nyttjas för produktion av olika biobränslen. Biomassa för energiändamål kommer bland annat från skogsbruk eller från jordbruk. Biomassa från skogsbruk är till exempel avverkningsrester så som grenar, stubbar, toppar och småträd som blivit över sedan in- dustrivirke tagits tillvara på vid avverkning av skog. Biomassa från jordbruket kan vara energiskog, energigräs eller andra grödor (Nationalencyklopedin, 2018), (Ek, u.å.). Fler typer av biomassa är även de biprodukter som blir över från skogs- och trävaruindustrin, detta är bland annat flis, bark och spån. Mycket av dessa biprodukter används internt inom skogsindustrin men de levereras även till bland annat fjärrvärmeverk och pelletstill- verkare (WedaSkog, 2018).
Den initiala fukthalten i färskt virke ligger omkring 50 %. Densiteten på träflis beror på dessa vatteninnehåll och varierar mellan 200-350 kg/m3s för fukthalter mellan 8-60 % (Strömberg & Svärd, 2012).
Det finns ett antal tekniker och metoder för att uppgradera biomassa, i detta fall träflis, bland annat genom pyrolys, torrefiering och pelletering (Aldén, 2010). I detta arbete har pyrolys och pelletering valts att studeras eftersom att båda dessa tekniker kräver att biomassan torkas.
2.3.1 Pyrolys
Pyrolys är en termokemisk process där organiskt material sönderfaller genom upphettning i en syrefattig miljö. Vid pyrolys omvandlas råvaran till fast återstod, vätska och gas.
Fördelningen mellan dessa tre beror på olika processvariabler som till exempel temperatur, tryck, uppehållstid, upphettningsprofil och typ av råvara. Den fasta produkten som bildas är kol som har en hög kolhalt. Den kan innehålla ungefär hälften av det kol som fanns i det organiska materialet från början. Den flytande produkten kallas oftast bioolja och gasen som bildas kallas syntetisk gas. I alla pyrolysprocesser är även vatten en produkt. Vattnet samlas i de flytande produkterna då dessa kondenserar (Browsort, 2009) (Aldén, 2010).
Det finns flera olika pyrolysprocesser. I detta arbete ligger fokus på långsam pyrolys.
Långsam pyrolys sker vid en temperatur på 400 C och vid en långsammare värmeöverfö- ringshastighet än vid den snabba pyrolysen, därav namnet. Den huvudsakliga produkten
som eftersträvas är kol men i processen bildas även flytande och gasformiga produkter.
Fukthalten på träflisen för framställning av kolet bör ligga på 15-20 %. Storleken på bio- massapartiklarna spelar in i hur stora andelar fast eller flytande produkt som fås. Större partiklar har visat sig ge större andel fast produkt (Browsort, 2009).
2.3.2 Pelletering
Pellets tillverkas av bland annat sågspån eller träflis. Innan tillverkningen måste fukthal- ten i råvaran tas ner till 13-15 %. Råvaran mals sedan till ett pulver som innan pellete- ringen kan behöva konditioneras med ånga, detta gör materialet mjukare vilket kommer ge en hårdare pellet. I detta steg tillsätts även eventuellt bindemedel eller andra tillsatser.
Pulvret pressas sedan genom en skiva med hål i, som kallas matris, till små cylindrar.
Pressningen sker under högt tryck vilket ökar temperaturen till 50-60 C och ligninet i råvaran mjuknar. Efter pelleteringen kyls pelleten, i detta steg stelnar ligninet och binder ihop materialet (Bioenergiportalen, 2013).
2.4 Torkning av biomassa
Torkning är en process där fukten i det material som skall torkas förångas och upptas av en omgivande gas eller ett så kallat torkmedie. Torkmedier är ofta rökgas, luft eller ånga (Johansson m. fl., 2004). Torkning är en kombinerad mass- och värmetransport där vattnet från materialet som ska torkas överförs till torkmediet genom diffusion. Detta görs samtidigt som värmen som krävs för förångning av vattnet överförs från torkmediet till materialet genom konvektion och värmeledning (Roald & Sundqvist, 2004).
I torkprocessen kommer först yttorrhet att uppstå, efter detta kommer torkningsförloppet att ske långsammare som en följd av att den värmeöverförande ytan blir mindre under torkningen. Ytterligare en orsak till varför torkningen sker långsammare är att vattnet måste transporteras en längre sträcka för att nå materialets yta. Under torkprocessen kommer materialets temperatur att öka, detta sker tills att materialet och torkmediet kommer i termisk jämvikt med varann och tills att fuktinnehållet för båda är lika. Då detta inträffat sker inte längre någon torkning (Roald & Sundqvist, 2004).
2.4.1 Torkning med luft
Vid torkning med luft värms luften upp för att sedan komma i kontakt med materialet som skall torkas. Fukten i materialet förångas och tas upp av luften. En följd av detta är att luftens temperatur sjunker och torkningen fortgår till dess att luften antingen är helt mättad eller tills att den har passerat ut ur torkzonen. Eftersom att luften sjunker i temperatur vid torkningen så är det fördelaktigt att ha luft av högre temperatur. Ju högre lufttemperaturen är från början av torkprocessen desto mer fukt kan luften ta upp och en mindre luftmängd krävs vid torkningen. Omvänt ger detta att lägre temperatur på luften ger en högre luftförbrukning. Luftbehovet vid torkning beror således på vilken temperatur luften initialt har (Johansson m. fl., 2004). Figur 4 visar ett exempel på hur torktiden beror på luftens temperatur och ingående fukthalt på träflisen vid torkning till en fukthalt på 10 %.
Värmeenergi kan tillföras torkprocessen före, mellan eller under torksteget. Det vanligaste är dock att värmeenergin tillförs före torksteget. Tillförsel av luft under eller mellan flera torksteg innebär ofta en mer komplicerad utrustning. Men det kan vara fördelaktigt att göra så i de fall där temperaturnivån på värmekällan är begränsad (Johansson m. fl., 2004). Figur 5 visar hur ett torksystem som använder sig av varm luft från ett datacenter kan vara uppbyggt.
Figur 4: Torktid beroende på ingående fukthalt och lufttemperatur för flistork från tillverkaren Akron (Akron, 2014).
Figur 5: Schematisk figur över hur ett datacenter och en tork kan samverka.
2.4.2 Torkmetoder
Torkning med lågvärdig värme ställer speciella krav på torkutrustningen jämfört med konventionell torkteknik där högre temperaturer används (Johansson m. fl., 2004). Nedan beskrivs olika metoder som finns för att torka biomassa.
Strömtork
I en strömtork transporteras materialet som ska torkas genom torken med hjälp av torkme- diet. Metoden kräver att materialet som torkas har en liten partikelstorlek och en homogen
och blåses genom torkkammaren. Materialet som ska torkas matas in med torkmediet och följer genom kammaren för att sedan avskiljas med hjälp av en cyklon. Torkgods som passar att torka i denna typ av tork är till exempel pappersmassa i flingform, kolpulver och kalk (Johansson m. fl., 2004).
Rotertork
En rotertork består av ett lutande roterande rör. Torkmediet i denna typ av tork värms vanligtvis med en brännare. I en rotertork torkas fritt rinnande material till exempel kalk och cement men de kan även används för torkning av flis och bark. Torken har ganska stor flexibilitet vad gäller fukthalt och storlek på det som skall torkas (Johansson m. fl., 2004). Torkmediet är ofta rökgaser eller annan het gas och tillförs direkt till trumman.
En vanlig temperatur på torkmediet är kring 200 C (Haque & Somerville, 2013).
Fluidbäddtork
I en fluidbäddtork torkas partikulärt torkgods. Den används bland annat för olika granulat och biobränsle. Uppehållstiden i torken varierar mellan några sekunder till en hel timme.
Fluidiserade bäddar har god värmeöverföring och omblandning av materialet. Stora par- tiklar som bark eller sågspån är olämpliga att torka i denna tork då det kräver en större energiinsats att fluidisera dessa partiklar. Om torkgodset mals innan torkning fungerar tekniken bättre då den är beroende av en homogen storleksfördelning (Johansson m. fl., 2004).
Skruvtork
Skruvtorkar är en typ av indirekt tork. Materialet i torken transporteras med hjälp av skruvar. Den omgivande ytan värms med kondenserande ånga, hetvatten, hetolja eller rökgaser. Även skruvarna kan vara förvärmda för att få en större värmeöverföringsyta till materialet (Johansson m. fl., 2004).
Bäddtork
I en bäddtork förs materialet genom torken på ett perforerat band. Torkmediet blåses genom materialet ovanifrån eller underifrån. Bäddtorkar kan se ut på olika sätt och det finns typer med ett band eller flera band som är placerade ovanpå varandra (Johansson m. fl., 2004). Bäddtorkning är en lämplig teknik för tillvaratagande av lågvärdig värme (Berntsson, Thorson & Wennberg, 2010).
3 Beräkningsteori
Nedan följer den beräkningsteori som tillämpats under detta examensarbete. Avsnittet innehåller teori för flöde och tryckfall i en rörkrets, torkning och fuktig luft samt numeriska värden för enhetskonvertering för biomassa.
3.1 Flöde och tryckfall i en rörkrets
Massflödet i en rörkrets kan beräknas från effekt enligt:
˙
m = Q˙
Cp· T. (1)
Massflöde räknas om till volymflöde enligt:
V =˙ m˙
⇢. (2)
Totalt tryckfall i en rörkrets beräknas enligt (Molander, 2012):
ptot = pdon+ ⌃ pl,i· Li+ pe, (3) där
pdon = tryckfallsförlust över tillfrånluftsdon [Pa], pl = längdförlust [Pa/m],
pe = engångsförlust [Pa].
3.2 Torkning och fuktig luft
Vid beräkningar om fuktig luft är ett Mollierdiagram ett viktigt verktyg. I Figur 6 ses luftens tillståndsändringar under ett torkförlopp inritade i ett Mollierdiagram, fullständigt Mollierdiagram finns att se i Bilaga 1. Under sträckan A värms torkluften innan torken.
I denna process ökar luftens entalpi medan vatteninnehållet i luften är konstant. Luften leds vidare till torken som visualiseras av sträckan B. I detta skede är luftens entalpi och våttemperatur konstant, torkningen sker tills dess att luften är nästan mättad. Därefter kan den torra luftens temperatur efter torkning tas fram (Esping, 1996). I de fall som detta är ett slutet system avfuktas luften och leds tillbaka till datacentret på sträckan C.
Figur 6: Luftens tillståndsändringar under ett torkningsförlopp visualiserade i ett Mollierdiagram (Alvarez, 2015).
Den effekt som krävs för att värma luften innan torkning beräknas med det torra luftflödet genom torken och luftens entalpi före och efter uppvärmning enligt:
Q˙tork = ˙mtorr luf t· (hut hin). (4)
I Figur 7 ses massflöden för biomassa och luft genom en tork med tillhörande fukthalt för biomassan och vatteninnehåll för luften före och efter torkning.
Figur 7: Massflöden för biomassa och luft genom en tork .
Luftens massflöde innehåller en torr och en fuktig del, det torra luftflödet genom torken är konstant. Luftens totala massflöde kan då uttryckas enligt:
˙
mf uktig luf t = ˙mtorr luf t+ ˙mtorr luf t· x (5) där
˙
mtorr luf t· x = ˙mvattnet i luf ten. (6)
Detta ger för luftflödet in och ut ur torken:
˙
mf uktig luf tin = ˙mtorr luf t+ ˙mtorr luf t· xin = ˙mtorr luf t· (1 + xin). (7)
˙
mf uktig luf tut = ˙mtorr luf t+ ˙mtorr luf t· xut = ˙mtorr luf t· (1 + xut). (8) Ur Figur 7 görs en komponentbalans för vatten genom torken där vattenflödet i luften uttrycks med det torra luftflödet enligt Ekvation (6):
˙
mbiomassa,in· fin+ ˙mtorr luf t· xin = ˙mbiomassa,ut· fut+ ˙mtorr luf t· xut (9) Efter omskrivning fås:
˙
mbiomassa,in· fin m˙ biomassa,ut· fut= ˙mtorr luf t· (xut xin). (10) Mängden vatten som luften kan ta upp uttrycks enligt:
˙
mvatten = ˙mtorr luf t· (xut xin) (11)
Detta insatt i Ekvation (10) ger:
˙
mbiomassa,in· fin m˙ biomassa,ut· fut= ˙mvatten. (12) Figur 8 visar massflöden för fuktig och torr biomassa in och ut ur en tork samt flöde för vattnet som luften tar upp, med andra ord det vatten som avdunstar från biomassan under torkning.
Figur 8: Massflöden för biomassa och avdunstat vatten genom en tork.
Ur Figur 8 görs en total massbalans enligt:
˙
mbiomassa,in= ˙mbiomassa,ut+ ˙mvatten. (13)
Ekvation (13) ger:
˙
mbiomassa,ut= ˙mbiomassa,in m˙vatten. (14)
Insättning av Ekvation (14) i Ekvation (12) ger:
˙
mbiomassa,in· fin ( ˙mbiomassa,in mvatten)· fut= ˙mvatten. (15) Omskrivning av Ekvation (15) ger nytt uttryck för mängden vatten som luften kan ta upp:
˙
mvatten = m˙biomassa,in· (fin fut)
1 fut (16)
Omskrivning av Ekvation (4) och Ekvation (11) ger två uttryck för det torra luftflödet som ställs lika med varandra enligt:
Q˙tork
hut hin
= m˙vatten
xut xin
. (17)
Även detta ger ett uttryck för vattnet som luften kan ta upp:
˙
mvatten = Q˙tork· (xut xin)
(hut hin) . (18)
Ekvation (16) och Ekvation (18) ställs lika med varandra:
˙
mbiomassa,in· (fin fut) 1 fut
= Q˙tork · (xut xin)
(hut hin) . (19)
Omskrivning av detta ger uttryck för hur mycket fuktig biomassa som kan torkas med tillgänglig torkeffekt:
˙
mbiomassa,in = Q˙tork · (xut xin)· (1 fut)
(hut hin)· (fin fut) . (20) Massflöde för luften beräknas från hastighet enligt:
˙
mluf t = vluf t· A
⇢luf t
. (21)
Volymflöde för biomassan beräknas:
V˙biomassa = m˙biomassa
⇢biomassa . (22)
En torkanläggnings specifika torkkapacitet beräknas:
Ctork = hut hin
xut xin
. (23)
Den specifika torkkapaciteten anger hur effektiv en torkanläggning är, ju mindre värde desto effektivare (Roald & Sundqvist, 2004).
3.2.1 Fuktkvot och torrhalt
Om fuktkvoten för biomassan är känd beräknas fukthalten enligt (Roald & Sundqvist, 2004):
f = X· 100
X + 100 (24)
Om torrhalten för biomassan är känd beräknas fukthalten enligt (Roald & Sundqvist, 2004):
f = 100 th (25)
3.3 Enhetskonvertering för biomassa
Enhetskonvertering för olika typer av biomassa görs enligt följande värden:
• 1 m3s (kubikmeter stjälpt) träflis motsvarar 0,37 m3f (kubikmeter fast) träflis (Kastberg, u.å.).
• 1 m3s bark motsvarar 0,37 m3f träflis, här antas samma värde som för flisen (Kastberg, u.å.), eller 0,8 MWh (Bioenergiportalen, 2014).
• 1 m3s spån motsvarar 0,32 m3f spån eller 0,65 MWh (Kastberg, u.å.).
4 Metod
Nedan följer den metod som tillämpats under detta examensarbete. Först beskrivs me- toden för hur de undersökningar som gjorts genomförts. Sedan beskrivs hur tryckfall och dimensionering av fläktar genomförts samt hur sensorer placerats och styrts i den expe- rimentella uppställningen. Även beskrivs hur experimenten genomförts och hur mätdata från dessa lagras. Sist gås metoden för torkberäkningar igenom.
4.1 Kartläggning av datacenter
En kartläggning av datacenter har gjorts för att få en överblick över vilka typer av da- tacenter det finns i norra Sverige och vilka tillgängliga temperaturer och luftflöden som finns hos dem. Information som varit av intresse är vilken kylteknik som används, in- stallerad och förbrukad effekt, lufttemperaturer på varm och kall sida om racken eller in och ut från datacentret samt luftflöde till och från datacentret. Mätdatan har efterfrågats på årsbasis. Undersökningen har gjorts via mailkonversationer med datacenter och som telefonintervjuer. Viss information har även sökts fram på internet. Beroende på vilken data som angetts eller sökts fram har saknade värden beräknats med grundläggande ter- modynamik. Det har ej gått att räkna fram både till- och frånluftsflödet, därför antas att de flöden som beräknats är frånluftsflöden. I de fall där temperatur från datacentret ej angetts antas det att denna temperatur är samma som temperaturen på varma sidan av racken.
4.2 Omvärldsanalys av tillgång på biomassa
En omvärldsanalys av tillgången på biomassa i norra Sverige har gjorts genom att kontak- ta sågverk, massa- och pappersbruk samt pelletstillverkare. Tre anpassade frågeformulär upprättades i Google Forms som skickades ut till respektive verksamheter. Information som varit av intresse är vilka typer av biomassa som används eller produceras som en biprodukt, hur stor mängd biomassa som finns hos aktörerna på årsbasis, vad biomassan används till och om det finns behov av att torka biomassan. Även tillfrågades dem om det fanns intresse att torka biomassa med lågvärdig värme. Om behov att torka biomassan fanns har de även fått svara på vilken fukthalt biomassan har innan och efter torkning samt vilken torkmetod som används.
Informationen sammanställs i tabeller. Där svar angetts som ett intervall över mängd bio- massa har medelvärdet för intervallet presenterats. Den tillgängliga biomassan presenteras i enheten m3s/h (kubikmeter stjälpt per timme). I de fall där biomassan inte angetts i denna enhet har enhetskonvertering gjorts.
4.3 Tillgängliga torkutrustningar
En marknadsundersökning gjordes för att ta reda på vilka tillgängliga torkutrustning- ar som finns och som lämpar sig till det ändamål som detta examensarbete syftar till.
Denna undersökningar har gjorts genom sökningar på internet och via kontakt med olika torktillverkare.
4.4 Experimentell uppställning
För att ta reda på tillgänglig torkkapacitet från ett datacenter byggdes en experimentell uppställning i en av SICS:s datacentermoduler. Inne i modulen finns tio rack med serv- rar. Den experimentella uppställningen bestod av en tilluftskrets och en frånluftskrets med tillhörande till- och frånluftsfläktar samt sensorer för mätning av lufttemperatur, lufthastighet och relativ luftfuktighet.
4.4.1 Tryckfall och dimensionering av fläktar
Mätningar genomfördes i modulen för att ta fram längder för de rördelar som den experi- mentella uppställningen bestod av. Längdförluster och engångsförluster togs fram genom avläsning i tryckfallsdiagram enligt diagrammetoden (Molander, 2012). Tryckfallsberäk- ningarna utfördes i Excel 2016. Se Bilaga 2 för de tryckfallsdiagram som använts för avläs- ning av tryckfallsförluster. Vid dimensionering av rörkretsarna har ljudnivån försummats då detta inte är viktigt för denna tillämpning.
För beräkning av massflödet som krävs av fläktarna för att uppnå den kylning som be- hövs gjordes ett antagande att förhållandet mellan kyleffekten och IT-effekten är 1:1.
IT-effekten som användes är tagen från tidigare tester som genomförts på SICS.
Tryckfallet beräknades först med en antagen rördimension för att sedan justeras då val av fläkt gjorts för att passa till fläktens dimension för rörkanal. För att hitta en lämplig fläkt som klarar att leverera flödet som krävs vid rådande tryckfall gjordes en marknads- undersökning. Efter dimensionering och val av fläktar genomförts beställdes material till rörkretsarna samt fläktar och montering av den experimentella uppställningen genomför- des. För att luftläckage i största möjliga mån skulle undvikas under experimenten tejpades rörskarvarna med vävtejp.
I beräkningarna användes dessa värden för luften:
Cp,luf t = 1, 004 kJ/(kg· K) och
⇢luf t = 1, 169 kg/m3 (Borgnakke & Sonntag, 2014).
4.4.2 Sensorer och styrning
Tabell 1 visar vilka sensorer som använts för mätning av temperaturer, flöden och relativ luftfuktighet i den experimentella uppställningen under experimenten.
En Pt-100-givare användes för styrning av fläktarna. Styrningen sker med styrsystemet ABB Ability Data Center Automation. När Pt-100-givaren känner av ett givet börvärde på temperaturen ökar fläktarnas kapacitet och börjar kyla genom att dra ut den varma luften från modulen. Fläktarna är inställda på att alltid köra minst 10 %. För att få in en bra styrning justerades Pt-100-givaren så att insignalen stämde överens med dess temperaturintervall. Även signalens förstärkning justerades för att inte få för stor över- svängning vid ändring av temperaturens börvärde eller ändrad IT-last. Detta gjordes i ABB:s styrsystem.
Sensorerna som mäter till- och frånluft placerades inne i röret på ett avstånd på 2,0 m från fläktarnas utlopp respektive inlopp. Inne i röret placerades de på ett avstånd ifrån rörväggen som motsvarar cirka en fjärdedel av rörets diameter. Pt-100-givaren placerades i frånluftskanalen, 2,8 m från utloppet, på samma avstånd från rörväggen som de andra sensorerna.
Utöver den mätdata som dessa sensorer loggade så loggades även mätdata över tempera- turer på varm och kall sida om racken samt IT-effekt. Detta mättes med utrustning som fanns på SICS sedan tidigare.
Tabell 1: Sensorer för mätning av temperaturer, lufthastighet och relativ luftfuktighet (Microchip, 2011), (Sensirion, 2015), (Omron, u. å.), (Heraeus, 2016).
Typ av sensor Tillverkare Beteckning Mätområde Noggrannhet Placering Temperatur Microchip MCP9808 –40 C -
+125 C +/– 0,5 C Tilluft
Temperatur luftfuktighetoch
Sensirion SHT3x-DIS –40 C -
+125 C +/– 0,3 C Frånluft
0 %RH -
100 %RH +/–2 %RH
Lufthastighet Omron D6F-W10A1 0 m/s-10 m/s +/– 5 %
av uppmätt värde Tilluft Frånluft
Temperatur Heracus Pt-100 -30 C -
+500 C
+/–0,3 C vid 0 C, +/–0,8 C vid 100 C
Frånluft
4.5 Experiment
Testerna gjordes för fyra olika börvärden för frånluftstemperaturen ut från modulen och för fem olika IT-laster. Frånluftstemperaturens börvärde ställdes in i ABB-systemet och IT-lasten reglerades via ett användargränssnitt.
Innan testerna genomfördes gjordes förtester för att se så att utrustningen fungerade som förväntat och för att testa vilken lägsta temperaturnivå som kunde nås för de olika IT- lasterna för att uppnå önskad kylning. Under alla tester har dörrar och portar hållits öppna till den övriga byggnaden så att mer kalluft funnits att tillgå. Dörren till modulen där IT-utrustningen finns har hållits stängd. Alla experiment övervakades i Zabbix för att se att fläkthastighet och frånluftstemperatur stabiliserats innan nästa test påbörjas. Även servertemperaturerna övervakades för att se vad som händer med servrarna och IT-lasten vid högre temperaturer.
Testerna utfördes under en period på tre veckor. För varje test hämtades mätdata för en tidsperiod på 60 minuter uppdelat på 60 mätpunkter, en mätpunkt per minut.
4.5.1 Lagring av data
Mätdata från testerna loggades i Zabbix som är ett övervakningsprogram. I Zabbix visas de lufttemperaturer, luftflöden och luftfuktighet, i nutid, som registreras av sensorerna.
Detta gör det möjligt att ha en överblick över vad som sker under testerna. I Zabbix går
det att se mätdata för de två senaste veckorna. Efter Zabbix överförs mätdatan till en permanent lagringsdatabas med hjälp av Kafka som är en distribuerande strömmande plattform. Den permanenta databasen är KairosDB, en tidsserie databas. Från KairosDB kan mätdata sedan exporteras till olika format. Detta enligt Jeffrey Sarkinen på SICS (personlig kommunikation, 10 april 2018).
4.6 Torkberäkningar
För utförandet av torkberäkningar hämtades mätdatan från databasen KairosDB. De mätdata som hämtades är lufttemperaturer till och från modulen, lufthastighet ut ur modulen och relativ luftfuktighet på luften ut ur modulen. Även hämtades mätdata för temperaturer på varm och kall sida om racken samt IT-effekten i racken. All mätdata hämtades för alla tester.
Det Mollierdiagram som användes för beräkningar laddades ner till Excel (Beerten & Es, 2016). Temperatur och relativ luftfuktighet fylldes i med värden ur mätdatan. Luftens re- lativa fuktighet före datacentret togs fram genom avläsning vid temperaturen in i modulen och det vatteninnehåll luften har ut från modulen. Detta kunde göras då luftens vatten- innehåll är konstant före och efter uppvärmning av luften i datacentret. Genom att följa linjen för konstant entalpi i Mollierdiagrammet ner till en antagen relativ luftfuktighet efter torken kunde luftens temperatur efter torken avläsas.
Den bortförda effekten från modulen beräknades med luftens massflöde samt temperatur- differensen in och ut ur modulen. Denna effekt är den som värmt upp det totala luftflödet i modulen. För att ta fram torkeffekten subtraherades den effekt som krävts för att värma upp vattnet i luften. Detta gjordes enligt:
Q˙tork = ˙Qbortf ¨ord Q˙vatten. (26)
där
Q˙vatten = ˙mvattnet i luf ten· Cp,vatten· (Tut Tin) (27) där ˙mvattnet i luf ten beräknades med Ekvation 6.
I Ekvation (27) användes Cp,vatten = 4, 18 kJ/(kg · K) (Incropera, Dewitt, Bergman &
Lavine, 2013) och temperaturerna som uppmätts före och efter modulen.
Mätdata för till- och frånluftstemperaturer, till- och frånluftshastigheter och relativ luft- fuktighet i frånluften exporterades tillsammans med den beräknade bortförda effekten från Matlab till ett beräkningsdokument i Excel. Torkberäkningarna utfördes i Excel 2016 och sedan importerades mass- och volymflöden för fuktig och torr luft, mass- och volymflö- den för fuktig och torr biomassa, beräknad torkeffekt samt den specifika torkkapaciteten tillbaka till Matlab.
Temperaturer på fram och baksidan av racken mäts med likadana sensorer som tempera- tursensorn för tilluften. På racken mäts temperaturen på tre olika nivåer, toppen, mitten och botten på racken, på båda sidorna. Medeltemperaturer för framsidan och baksidan av varje rack beräknades utifrån dessa tre mätpunkter för respektive rack. Från dessa
medeltemperaturer har temperaturdifferensen över racken beräknats. För varje tidssteg i testerna och respektive rack togs ett medelvärde för massflödet fram för respektive rack enligt Ekvation 1. Från medelvärden på varje racks baksidestemperatur och massflöde samt totalt massflöde för alla rack beräknades en teoretisk frånluftstemperatur för varje test genom viktning enligt:
T = Pi=n
i=1Ti· ˙mi Pi=n
i=1m˙i
, (28)
där n är antal rack, T är medeltemperaturen för baksidan för respektive rack och ˙m är medelmassflödet genom respektive rack.
I torkberäkningarna har en fukthalt för biomassan innan torkning antagits till 50 % då detta är den fukthalt som färskt virke ofta ligger kring, som tidigare nämnt i avsnittet Torkning av biomassa. Fukthalten efter torkning antogs till 20 % utifrån de litteratur- studier om pyrolys som genomförts. Densiteten som använts för flisen innan torkning är 321 kg/m3s och efter torkning 235 kg/m3s, dessa har beräknats genom interpolation med utgångspunkt i de värden, som även dessa, nämnts i avsnittet Torkning av biomassa. Den relativa luftfuktigheten efter torkning antogs till 95 %RH.
5 Resultat och diskussion
I detta avsnitt presenteras resultaten för de undersökningar som gjorts och resultatet av den byggda experimentella uppställningen. Sist presenteras de resultat som fåtts i de ex- periment och beräkningar som genomförts. I avsnittet sker även diskussion om resultaten löpande för att avslutas med en övergripande diskussion.
5.1 Datacenter i norra Sverige
Av totalt 31 kontaktade datacenter har information om 13 stycken kunnat sammanställas.
Notera att en del datacenter har flera olika hallar, dessa har behandlats separat då de kan ligga på olika platser, så antal datahallar är fler än antal datacenterföretag. Datahallarna kan vara fristående byggnader eller del i en annan byggnad. Tabell 2 visar antal kontaktade datacenter och totalt antal datacenter som svarat i respektive landskap eller som det hittats information om genom sökning på internet. Tabell 3 visar en sammanfattning av vilka typer av datacenter som finns i respektive landskap och vilka kyltekniker de använder sig av. Tabell 4 visar installerad effekt, antal rack, luftflöde och lufttemperatur ut från datacentren för respektive landskap.
Tabell 2: Sammanställning av svarsfrekvens från kartläggning av datacenter.
Landskap Kontaktade
datacenter Datacenter
som svarat Svarsfrekvens [%]
Norrbotten 15 8 60
Västerbotten 8 3 38
Lappland 7 2 30
Ångermanland 0 0 0
Jämtland 1 0 0
Totalt 31 13 42
Tabell 3: Vilken typ av datacenter som finns i respektive landskap och vilka kyltekniker de använ- der sig av (Sandström, 2018) (Gustavsson, u.å.).
Landskap Typ av datacenter Kyltekniker
Norrbotten Mining
Traditionella Colocation
Luftkyla Kompressorkyla
Västerbotten Traditionella Colocation
Luftkyla Kompressorkyla Luftvärmepump
Bergkyla Lappland Traditionella
Colocation Luftkyla Luftvärmepump
Ångermanland - -
Jämtland - -
Tabell 4: Installerad effekt, antal rack, lufttemperaturer och luftflöden för datacenter i de olika landskapen (Sandström, 2018), (Lundell, 2012), (Bie, 2011), (Alpman, 2012).
Landskap Installerad effekt
[kW] Antal rack Luftflöde i datacenter
[kg/s]
Temperatur i datacenter
[ C]
Norrbotten 30-80 000 8-400 7-7 244 24-30
Västerbotten 15-100 17-32 3,4-20 24-27
Lappland 20-2 000 14-116 5-77 24-35
Ångermanland - - - -
Jämtland - - - -
Det finns många datacenter i norra Sverige och fler är på gång att etablera sig. Utifrån marknadsundersökningen ses i Figur 2 att det finns flest datacenter i Norrbotten, följt av Västerbotten och Lappland. I Ångermanland och Jämtland finns ännu inget datacenter som är i drift. De flesta datacenter som svarat på undersökningen har varit återhållsamma med information och mätdata. Detta beror dels på sekretess men även att datacenter generellt inte ser något syfte med att ha sådan mätdata som efterfrågats.
Installerad IT-effekt på datacenter i norra Sverige ligger mellan 15-80 000 kW, tillgängliga lufttemperaturer varierar mellan 24-35 C och tillgängliga luftflöden varierar mellan 3,4- 7 244 kg/s vilket motsvarar 2,8-6 037 m3/s. Luftfuktigheten hos dessa datacenter har ej kunnat fastställas, dock så ligger den troligtvis mellan de rekommenderade värdena mellan 20-80 %RH (ASHRAE, 2011).
I Tabell 3 ses att utöver de kyltekniker som beskrivits tidigare används även bergkyla och luftvärmepump. Även ses att luftkyla är vanligt som tidigare nämnts. Tyvärr har ingen information kunnat sammanställas om datacenter i Ångermanland och Jämtland, detta beror på att det ännu inte finns något datacenter som är i drift i dessa landskap.
Utifrån den låga svarsfrekvensen och att inga datacenter ännu finns i drift i Ångermanland och Jämtland anses inte denna undersökning vara representativ för hela norra Sverige.
Den ger dock en inblick och en fingervisning över hur industrin ser ut.
5.2 Biomassa i norra Sverige
Av totalt 36 tillfrågade företag inom biomassabranschen svarade 10 stycken på enkäten.
Ytterligare en ringde upp och meddelade att de inte har någon biomassaverksamhet på det sätt som jag var ute efter, detta räknas ej som ett svar på enkäten. Tabell 5 visar svarsfrekvensen från enkäterna och Tabell 6 visar kortfattad information om de företag som svarat på enkäten.
Tabell 5: Sammanställning av svarsfrekvens från undersökning om tillgång på biomassa.
Typ av verksamhet Kontaktade
företag Företag
som svarat Svarsfrekvens [%]
Sågverk 21 5 24
Massa- och pappersbruk 6 4 67
Pelletstillverkare 9 1 11
Totalt 36 10 28
Tabell 6: Kortfattad information om de medverkade företagen i biomassaundersökningen.
Företag Ort Antal anställda Omsättning[MSEK/år]
SÅGVERK
AB Krekula Lauris Såg Tärendö 45 138
Albin Vikmans Åkeri AB Ängeså - 3,5
Högland Såg och Hyvleri AB Örnsköldsvik 90 536
Setra Rolfs Såg Kalix 60 -
Setra Trävaror Malå Malå 86 500
MASSA- OCH PAPPERSBRUK
Billerud Korsnäs Karlsborg Kalix 380 -
SCA Munksund Piteå 310 -
SCA Obbola Obbola 300 -
SmurfitKappa Piteå 510 4 000
PELLETSTILLVERKARE
Femett Pellets AB Nordmaling 2 -
Även i denna undersökning har svarsfrekvensen varit låg, vilket troligtvis beror på att in- tresset för denna typ av utveckling är låg. Detta kan vara ett hinder för att implementera denna typ av användning av restvärmen. Ytterligare ett hinder kan vara att biomassaak- törer och datacenter inte ligger i närheten av varandra.
Tillgänglig mängd träflis på de anläggningar som svarat i biomassaundersökningen ligger mellan 270-373 000 m3 och total mängd för alla anläggningar är 492 000 m3 på årsbasis.
Från svarsfrekvensen på 28 % kan det antas att det finns minst tre gånger så mycket träflis tillgänglig i norra Sverige.
I följande stycken presenteras svaren från de olika verksamheterna. All information pre- senteras med tillstånd från de företag som medverkat. Fullständiga enkätsvar finns att läsa i Bilaga 3.
5.2.1 Sågverk
Tabell 7 visar tillgång på olika typer av biomassa, utöver träflis som denna studie riktar in sig på har även tillgång på bark valts att presenteras för att bredda studien. Tabell 8 presenterar vilken torkmetod som används idag, om någon används, och fukthalt före och efter eventuell torkning.
Träflis avser svaren cellulosaflis och flis. Övriga biomassatyper som finns hos sågverken är cellulosa, sågspån, torrflis, kutterspån, briketter, städbark och C-flis. Biomassan används i huvudsak till att värma den egna anläggningen eller så skickas den till massa- och pappersindustrin, till värmeverk eller andra energiproducenter. I ett fall används den även till att värma anläggningens tork (Enkätsvar från undersökning, 2018).
Tabell 7: Tillgång på biomassa hos sågverk på årsbasis. *Kubikmeter stjälpt, **Omräknat från m3f (kubikmeter fast).
Företag Träflis
[m3s]* Bark
[m3s]*
AB Krekula Lauris Såg 94 595** 40 541**
Albin Vikmans Åkeri AB 270** Har ej
Högland Såg och Hyvleri AB Har ej 108 108**
Setra Rolfs Såg Har ej Ej angett mängd
Setra Trävaror Malå 372 973** 124 324**
Tabell 8: Torkbehov, torkteknik och fukthalt hos de sågverk som medverkade i undersökningen.
*Omräknat från fuktkvot.
Företag Torkbehov Torkteknik Fukthalt
Före[%]Efter
AB Krekula Lauris Såg Ja Bandtork 60 12
Albin Vikmans Åkeri AB Nej Torkar ej - -
Högland Såg och Hyvleri AB Ja Torkar ej 55 15
Setra Rolfs Såg Nej - 65 -
Setra Trävaror Malå Ja Moder natur för spillbark 14–34* -
På frågan om det fanns intresse för torkning med lågvärdig värme svarade två stycken att det inte fanns något intresse och tre stycken gav följande kommentarer:
• Kondensera rökgaser från vår egen panna vore intressant, ej från datacenter (AB Krekula Lauris Såg).
• Det finns ett behov av att torka men vi gör det inte i dag. Är tveksam om vi kommer att genomföra en sådan investering (Högland Såg och Hyvleri AB).
• All möjlig utveckling kan vara intressant (Setra Trävaror Malå).
Utifrån dessa svar ses att det finns större tillgång på träflis än bark. Även ses att det finns behov att torka biomassan men att intresset att samverka med datacenter för att kunna torka biomassan med lågvärdig värme är lågt. Detta beror troligtvis på en eventuell investering som detta kan innebära och att de inte är beredda att göra någon sådan.
5.2.2 Massa- och pappersbruk
Tabell 9 visar tillgång på olika typer av biomassa som finns hos massa- och pappersbruk.
Tabell 10 presenterar vilken torkmetod som används idag, om någon används, fukthalt före och efter eventuell torkning, om det finns torkbehov samt om det finns intresse hos bruket att torka med lågvärdig värme.
Det är valt att endast presentera mängder för träflis, bark, spån och övrigt trädbränsle.
Övriga biomassatyper som finns hos massa- och pappersbruken är tjocklut, beckolja, re- turfiberrejekt, bioslam, papper, terpentin, tallolja, torv, fiberslam, grot, brännved, pellets och bioolja. Biomassan används i huvudsak till förbränning och en del säljs (Enkätsvar från undersökning, 2018).
Tabell 9: Tillgång på biomassa på årsbasis hos de massa- och pappersbruk som medverkade i undersökningen. *Kubikmeter stjälpt, **Omräknat från m3f (kubikmeter fast), ***Omräknat från MWh.
Företag Träflis
[m3s]* Bark
[m3s]* Spån [m3s]*
Övrigt trädbränsle
[m3s]*
Billerud Korsnäs Karlsborg 13 514** 390 000 40 600** Har ej
SCA Munksund Har ej 463 553 Har ej 414 521
SCA Obbola 360 000 Har ej
SmurfitKappa Ej angett mängd 667 500*** 192 301*** Har ej
Tabell 10: Torkbehov, torkteknik och fukthalt hos de massa- och pappersbruk som medverkade i undersökningen.
Företag Torkbehov Torkteknik Fukthalt
Före[%]Efter Billerud Korsnäs Karlsborg Ja Barkpress 41 -
SCA Munksund Ja Centrifug
Bellmerbord - 80
SCA Obbola Ja Barkpress 50 40
SmurfitKappa Ja Stegtorkar 55-60 -
På frågan om det fanns intresse för torkning med lågvärdig värme svarade en att det inte fanns något intresse, de tre andra angav följande kommentarer:
• Storskalig torkning med lågvärdig energi är intressant och behöver utvecklas (Bille- rud Korsnäs)
• Om torkningen kan ske på vårt fabriksområde med låg investeringskostnad är det intressant (SCA Munksund).
• Risk att en torkanläggning kräver stora investeringar (SCA Obbola).
Utifrån dessa svar ses att hos massa- och pappersbruken är bark den mest förekommande biomassan följt av spån och sedan träflis. Alla bruken har svarat att de har ett behov av att torka biomassa och intresset för att göra detta med lågvärdig värme finns. I kommen- tarerna ses dock en oro att det kommer att krävas stora investeringar samt så finns ett krav att torkningen skall kunna ske på fabriksområdet.
5.2.3 Pelletstillverkare
Femett Pellets AB använder 3 000 ton kutterspån per år med en fukthalt på 9–12 %.
De är inte i behov av torkning och är därför inte intresserade av torkning med lågvärdig värme (Femett Pellets AB).
5.3 Torkutrustningar
För att på ett enkelt sätt kunna implementera torkning av biomassa vid befintliga da- tacenter krävs att torkutrustningen är anpassningsbar till rådande förhållanden. Utifrån litteraturstudien tros bäddtork vara den lämpligaste torktypen för tillämpning inom detta område. Nedan presenteras två mobila torkutrustningar för torkning av träflis som har potential att användas tillsammans med restvärme från datacenter. Båda dessa torkar är bäddtorkar.
5.3.1 Akron
Akron är ett företag som tillverkar och säljer produkter inom flera områden. Till exempel spannmåls- och biobränslehantering, fläktar och motorer (Akron, u.å.a). I deras produkt- sortiment finns en mobil flistork i en större och en mindre modell, 16 respektive 32 m3. Torkningen sker genom att luft blåses genom ett golv med perforerad stålplåt för att sedan passera genom ett flislager vars tjocklek kan vara upp till 1,2 m. Torken kan användas både för satsvis och kontinuerlig torkning och kan användas med luft mellan temperaturerna 50-80 C. I ett exempel som ges i Akrons produktbroschyr för biobränsle krävs 100 W/m3 flis och 1 C temperaturökning vid torkning av flis till en fukthalt på 10 %. Figur 9 visar Akrons mobila torkutrustning (Akron, 2014). Enligt Martin Thorsson på Akron (person- lig kommunikation, 20 mars 2018) är det möjligt att använda restvärme från datacenter i deras tork. De har tidigare torkat rotfrukter med en restvärme där torkluften låg mellan 28-30 C. Då torkluften har lägre temperatur så krävs endast att torktiden förlängs. Han nämner även att de håller på att utveckla en ny torkmodell som är uppbyggd av moduler som placeras efter varandra. Detta för att kunna anpassa torkens storlek efter volymen som skall torkas.
Figur 9: Mobil torkutrustning från Akron (Akron, u.å.b).
5.3.2 SF Tec
SF Tec är ett finskt företag som genom sina idéer och produkter arbetar de för att främja hållbarhet och cirkulär ekonomi. De är specialiserade inom industriell torkning och har arbetat fram en egen torkteknologi som de kallas ModHeat (SFTec, 2018b). ModHeat är en skalbar och mobil tork som torkar materialet kontinuerligt. Den kan användas för flera olika material och många industriella tillämpningar. Torken är uppbyggd av stapelbara moduler inuti en container som gör det möjligt att anpassa torken efter mängd material
som ska torkas. Materialet transporteras mellan de olika våningarna, med start högst upp.
Inom området bioenergi är det möjligt att torka bland annat träflis, sågspån och bark i ModHeat. I Figur 10 ses hur de stapelbara modulerna ser ut inuti deras torkutrustning.
Enligt Virpi Leinonen på SF Tec (personlig kommunikation, 23 mars 2018) fungerar deras teknik med restvärme från datacenter.
Figur 10: Stapelbara moduler i mobil tork från SF Tec (SFTec, 2018a).
5.4 Experimentell uppställning
Den experimentella uppställningen består av ventilationskanaler av spirorör, till- och från- luftsdon i form av T-rör, en tilluftsfläkt, en frånluftsfläkt, sensorer för mätning av tem- peraturer, flöden och luftfuktighet samt en temperatursensor för styrning av fläktarna.
I Figur 11 ses den experimentella uppställningens till- och frånluftskrets sett från olika vyer. Då till- och frånluftsdon för denna tillämpning ej gick att hitta utgörs dessa av T-rör.
