Jämförelsestudie av kylmodeller för serverhallar i Sverige
Magnus Sellstedt Andreas Sjöling
Kandidatexamensarbete
KTH – Skolan för Industriell Teknik och Management Energiteknik EGI-2017
SE-100 44 STOCKHOLM
Kandidatexamensarbete EGI-2017 Jämförelsestudie av kylmodeller för serverhallar i Sverige
Magnus Sellstedt Andreas Sjöling
Godkänd Examinator
Björn Palm
Handledare
Viktoria Martin
Uppdragsgivare Kontaktperson
Abstract
Data centers around the world are using energy to process large amounts of data. Energy consumption is increasing with accelerating data usage, and data traffic is expected to increase by 20 percentage units each year between 2016 and 2022. More data center operators choose to place their data centers operation in Sweden due to favorable climate conditions, cheap renewable electricity and technical skills. In data centers, the IT-equipment generates a large amount of heat which must be removed to ensure that servers maintain their performance and service life. The abducted heat can either be ventilated to the surroundings or be used to heat other premises.
In this study, four cooling models were developed and evaluated from an economic and environmental perspective. For the economic perspective, a life- cycle cost for each system was calculated for 20 years, and for the environmental perspective, the carbon dioxide emission generated by the cooling systems were analyzed. The cooling systems that were compared were district cooling, free cooling with a cooling tower, cooling machine and heat pump with heat recovery to a district heating network.
The cooling systems were further assumed to be used in their respective optimal operating environment. The cost analyses showed that there were large differences in the total cost between each respective cooling system. Free cooling with a cooling tower had the lowest cost while district cooling accounted for the highest cost. Selling waste heat to a district heating supplier could in this study reduce the total cost by approximately 27 %, for 20 years of use of a data center with an installed IT- power of 1 MW, provided that the electricity price does not change significantly from today's market price. The district cooling technique was the most expensive and has disadvantages due to current energy tax policies, because district cooling suppliers are not entitled to tax subsidy.
In this work, carbon dioxide emissions were assumed to be caused only by electricity used for cooling equipment. This resulted in that the heat pump with heat recovery was the best option for minimizing carbon dioxide emission. Recovering heat could furthermore reduce the carbon dioxide emission significantly, provided that the electricity was cleaner than district heating.
Sammanfattning
Serverhallar världen över använder sig av en stor mängd energi för att processa dagens enorma datamängder. Energiåtgången ökar med ett stigande databehov, och datatrafiken förväntas att öka med 20 procentenheter varje år mellan 2016 och 2022. Fler aktörer väljer att placera sin serverhallsverksamhet i Sverige på grund av gynnsamma klimatförhållanden, billig förnyelsebar el och teknisk kompetens.
I serverhallarna genererar IT-utrusningen en stor mängd värme, som måste föras bort för att servrarna ska bibehålla sin prestanda och livslängd. Den bortförda värmen kan antingen fläktas ut till omgivningen eller tas tillvara på för att värma upp andra lokaler.
I denna studie togs fyra kylmodeller fram och utvärderades utifrån ett ekonomiskt- och miljömässigt perspektiv. För det ekonomiska perspektivet beräknades en livscykelkostnad för respektive system för 20 år, och för miljöperspektivet analyserades vilka koldioxidutsläpp driften av kylsystemen genererar. Kylsystemen som jämfördes var fjärrkyla, frikyla med kyltorn, kylmaskin och kylvärmepump med värmeåtervinning till ett fjärrvärmenät.
Kylsystemen antogs vidare att användas i deras respektive optimala driftsmiljö.
Kostnadsanalysen visade att det fanns stora skillnader i totalkostnad mellan de respektive kylsystemen. Frikyla med kyltorn hade den lägsta kostnaden medan fjärrkylatekniken stod för den högsta kostnaden. Att sälja spillvärmen till en fjärrvärmeleverantör kunde i denna studie reducera totalkostnaden med cirka 27 %, för 20 års användning av en serverhall med 1 MW installerad IT-effekt. Men detta under förutsättningen att elpriset inte ändrar sig signifikant från dagens marknadspris. Fjärrkylatekniken var dyrast och missgynnas på grund av rådande
Förord
Arbetet i denna rapport har gjorts inom ramen för ett Kandidatexamensarbete inom hållbar energiteknik vid Kungliga Tekniska Högskolan. Studien har utförts på KTH. Handledare under projektet har varit Viktoria Martin, och Björn Palm har ämnesgranskat och examinerat.
Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare Viktoria Martin för diskussioner och vägledning under projektets gång. Vidare vill vi tacka Johan Dalgren på Fortum Värme som visat intresse för vårt arbete samt varit en kontaktperson vid frågor som uppstod under projektet.
Slutligen vill vi tacka både Peter Sivengård och Martin Brolin på Fortum-Öppen Fjärrvärme för hjälp med specifika frågor gällande tillvaratagande av spillvärme och priser.
Nomenklatur
Tecken Benämning Enhet
CO2 Koldioxid kg
P 1 Högt Tryck Pa
P2 Lågt Tryck Pa
Q Effekt W
Q 1 Avgiven Värme W
Q 2 Upptagen Värme W
Q W Tillfört arbete W
T H Hög Temperatur K
TL Låg Temperatur K
,
Tv in
Kylvätskans
ingående temperatur
C
,
Tv ut
Kylvätskans
utgående temperatur
C
, våttemp in
T Luftens våta
ingående temperatur
C
, våttemp ut
T Luftens våta utgående
temperatur
C
Förkortningar
BNP - Bruttonationalprodukt COP - Coefficent Of Performance
LCC - Life Cycle Cost
PUE - Power Usage Effectiveness NS - Nuvärdessumman
Kostnad
I - Investeringskostnad
Kostnad
U - Underhållskostnad
Kostnad
D - Driftkostnad
Intäkt
F - Spillvärmeförsäljning
Kyltorn
K - Kostnad för kyltorn fKPI - Konsumentprisindex r - Kalkylränta
n - År
C - Grader Celsius
Framledningstemperatur - Vattentemperaturen från fjärrvärmeverk
Returledningstemperatur - Vattentemperaturen tillbaka till fjärrvärmeverk
Innehållsförteckning
Abstract ... i
Sammanfattning ... ii
Förord ... iii
Nomenklatur ... iV Förkortningar ... V 1. Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och mål ... 2
1.3 Avgränsning ... 2
1.4 Metod ... 2
2. Litteraturstudie ... 4
2.1 Serverhallar ... 4
2.2 Serverhallar på den svenska marknaden ... 6
2.3 Kriterier vid investering av serverhall ... 6
2.4 Tekniker för kyla ... 8
2.4.1 Fjärrkyla ... 8
2.4.2 Frikyla ...11
2.4.3 Frikyla med kyltorn ...11
2.4.4 Kompressordriven kylmaskin och värmepump ...14
2.4.5 Kylteknikernas effektivitet ...16
2.5 Värme ... 17
2.5.1 Spillvärme ...17
2.5.2 Tillvaratagande av spillvärme ...17
2.5.3 Fjärrvärme ...19
2.6 El ... 20
2.6.1 Energieffektivitet i serverhallar...21
3. Kylmodeller ... 22
3.1 Antaganden för kylmodeller ... 22
3.1.1 Kostnadskalkyl ...22
3.2 Fjärrkyla... 23
3.2.1 Ekonomi ...23
3.2.2 Miljö ...24
3.3 Frikyla med kyltorn ... 24
3.3.1 Ekonomi ...24
4.2.2 Miljöresultat ...36
4.3 Slutdiskussion ... 36
5. Slutsats och förslag på framtida arbete ... 38
Litteraturförteckning ... 39
Bilagor ... 43
Bilaga 1: Individuella miljöresultat för känslighetsanalys av kylmodeller ... 43
Bilaga 2: Våt temperatur i Sverige under olika månader ... 45
Bilaga 3: Historiska elpriser ... 46
1. Introduktion
Nedanstående avsnitt redogör för valet av projektet samt en bakgrundsbeskrivning. Vidare formuleras även problemformulering, avgränsningar och metod.
1.1 Bakgrund
Datatrafiken har ökat kraftigt de senaste åren och kommer enligt prognoser att fortsätta öka med 20 % för varje år mellan 2016 och 2022. Bara i Sverige kommer varje telefonanvändare att förbruka 8 gånger mer data 2022 än idag (Ericsson, 2016). All data som konsumeras processas i en server och ett flertal servrar i en byggnad kan kallas för serverhall eller datacentral. Ett problem med ökad datamängd är att serverkapaciteten måste utökas vilket leder till högre energiåtgång och mer koldioxidutsläpp. Koldioxidutsläppen väntas globalt öka med 7 % fram till år 2020 och serverhallarnas elförbrukning uppgår redan idag till 1,2 – 1,5 % av världens totala elkonsumtion (NRDC, 2014).
Från Svensk sida jobbas det hårt för att locka stora datacentersaktörer och undersökningar visar att datacenterindustrin kan generera 50 miljarder till svensk ekonomi och 27 000 nya arbetstillfällen på sikt om de lyckas (BCG, 2016). Lågt pris på förnyelsebar el med tillförlitlig leverans och ett gynnsamt kallt klimat lyfts som några av de främsta fördelarna med att etablera sig i Sverige (Fortum Värme, 2017).
En av utmaningarna med serverhallar är att kyla dessa på ett effektivt sätt. Det finns ett flertal olika kyltekniker som kan användas, och det finns idag ett stort fokus på att försöka ta tillvara på spillvärmen från serverhallarna och använda den till uppvärmning av fastigheter och
1.2 Syfte och mål
Syftet med projektet är att jämföra fyra olika kylmodeller för serverhallar i Sverige.
Kylmodellerna kommer att analyseras utifrån ett ekonomiskt och ett miljömässigt perspektiv.
Arbetet genomförs för att kunna ge en rekommendation för val av kylteknik vid nyetablering av serverhallar i Sverige. De kyltekniker som analyseras i denna rapport är följande:
Frikyla med kyltorn
Kompressordriven kylmaskin
Kylvärmepump med värmeåtervinning
Fjärrkyla
1.3 Avgränsning
Arbetet kommer att utföras principiellt och kommer således inte att begränsas av specifika serverhallar. Serverhallarna för analys kommer att placeras i sina respektive optimala driftförhållanden, vilket innebär att kylmodellernas data kommer att baseras på kylteknikens mest gynnsamma driftmiljö. Det innebär att frikyla med kyltorn är tänkt att användas på nordliga breddgrader i Sverige. Kylmodellerna som kräver välutbyggda fjärrsystem är tänkt att användas i Stockholmsregionen. Projektet kommer också att utgå ifrån den svenska marknaden gällande temperaturer, skatter och kostnader. I rapportens miljöperspektiv beaktas endast genererade koldioxidutsläpp under drift och inga andra kemiska föreningar eller ämnen som kan ha påverkan på miljön.
1.4 Metod
Projektet inleddes med en omfattande informationssökning och litteraturstudie för att skapa en grund inom området. En viktig del i arbetet var att undersöka på vilka sätt spillvärmen från serverhallar kunde tas tillvara på. Efter ett studiebesök hos Fortum värme valdes att undersöka huruvida spillvärmen från serverhallar kunde överföras till ett fjärrvärmenät. Vidare genomfördes samtal och med representanter från Fortum värme för att utveckla djupare förståelse för fjärrvärme och fjärrkyla samt vad som krävs för att integrera serverhallar till fjärrvärme- och kylanät. Den erhållna informationen från aktörer på marknaden var till stor hjälp för att få insikt i de aktuella utmaningarna som aktörerna ställs inför på marknaden, samt
vilka lösningar och metoder de använder sig av. Dock ska det även nämnas att det har varit delvis mycket svårt under arbetets gång att få tag på information från serverhallsaktörer och byggentreprenörer, då det de inte vill avslöja några detaljer, på grund av oro för att ge ifrån sig affärshemligheter. Valet av kylteknikerna som undersöktes i denna rapport baserades på de kyltekniker som identifierades som vanligast på marknaden. För att kunna göra en bedömning av vilken kylteknik som var bäst jämfördes dels livscykelkostnaden för 20 års användning av de respektive kylsystemen men också miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp från driften av kylsystemen. För beräkning av modellerna användes programmet Matlab.
2. Litteraturstudie
I nedanstående avsnitt redogörs det för vad en serverhall är, dess uppbyggnad, nuvarande status och vilka kriterier som används vid nyetableringar av serverhallar.
2.1 Serverhallar
En server kan förklaras vara en värddator som utför arbetsuppgifter åt andra datorer. Moderna servrar kan liknas vid utseendet av en bok och dessa staplas sedan i rack liknande en bokhylla. Ett rack innehåller ofta mellan 25 till 50 servrar och ett flertal serverracks lägger grunden till en så kallad serverhall. För att kyla servrarna på bästa sätt skapas en layout där den kalla luften separeras från den varma luften. Detta uppnås genom att ordna racksen med framsida ut mot gången där den kalla luften strömmar, medan den varma luften strömmar på baksidan av racksen, se Figur 1. Detta system medför att den kalla luften inte kommer i kontakt med den varma luften, vilket resulterar i att energiförbrukningen kan minska med upp till 20 % (NRDC, 2014).
Vid användning av de elektroniska komponenterna i serverhallen alstras en stor mängd värme. Temperaturen på framsidan av racksen uppgår till 20 C medan den uppvärmda luften på baksidan av racksen kan nå en temperatur på upp emot 46 C (Energi & Miljö, 2013). För att komponenterna ska bibehålla sin prestanda och fungera optimalt krävs en effektiv kylning med låg och jämn temperatur, vilket ställer höga krav på kylprocesserna (Anixer, 2012).
Temperaturen på en rack varierar vidare beroende på dess höjd, vilket innebär att det är kallast på botten av en rack och varmast på ovansidan på racken (Qinghui Tang, 2007). Den varma luften leds sedan bort från serverrummet och kan då kallas för sekundär spillvärme (Svensk fjärrvärme, 2017).
Figur 1: Illustrerar hur luftflödet i en serverhall cirkulerar.
Rekommendationerna för vilken temperatur som är optimal i serverhallarna varierar kraftigt mellan olika aktörer på marknaden. Enligt det amerikanska IT-företaget Sun Microsystems rekommenderas en maximal tillåten temperatur på 21 C för att IT-utrustningen ska fungera optimalt och bibehålla sin livslängd. De menar också att vid varje ökning med 7 C förkortas datakomponenternas livslängd med 50 % (Sun microsystems, 2009). Utrustning som är placerad i den översta delen i en rack går sönder dubbelt så ofta som den övriga utrustningen i samma rack. Detta på grund av att temperaturen är högre längre upp i racken (Sun microsystems, 2009). Till skillnad mot denna uppfattning menar Google att det är en myt att IT-utrustningen behöver hållas på så låga temperaturer och menar på att 28 C (eller något högre) är fullt tillräckligt (Google, 2017).
2.2 Serverhallar på den svenska marknaden
Digitaliseringen förändrar dagens industrier och samhällen snabbt. År 2015 stod internetrelaterad verksamhet för 8,4 % av Sveriges BNP och beräknas att ha en tillväxthastighet som är fyra gånger högre än övriga verksamheter i Sverige (BCG, 2016).
Serverhallar har en betydande effekt på svensk ekonomi och 2015 beräknades datacenterindustrin omsätta 13 miljarder kronor och generera cirka 3200 heltidsanställningar (BCG, 2016). I ett scenario där det genomförs rätt prioriteringar och satsas starkt på förstärkning av IT-infrastruktur, finns chansen till att skapa optimala förutsättningar för att locka Internetföretag till Sverige. Detta kan i sin tur generera 27 000 heltidsanställningar och 50 miljarder i årlig omsättning år 2022 inom IT-sektorn (BCG, 2016). I Tabell 1 visas en översikt av serverhallar i Sverige.
Tabell 1: Översikt av antal serverhallar och storlekar i Sverige baserad på en rapport från BCG (BCG, 2016).
Typ Effekt (MW) Aktör Antal 2014
Serverrum
eller liten serverhall
< 0,3 Mindre företag 3000
Mellanstor serverhall
0,3 - 1 Mellanstora företag 110 - 120
Stor serverhall 1 - 10 Stora företag 20 - 30 Gigantisk
serverhall
> 10 Internetjättar 5
2.3 Kriterier vid investering av serverhall
När företag planerar för nyetableringar av serverhallar finns det enligt konsultföretaget Boston Consulting Group (BCG, 2016) fyra huvudsakliga områden som beaktas.
Kostnad
Många länder kan tillgodose de tekniska behov som krävs för etablering av serverhallar.
Därför avgörs ofta beslutet med avseende på elpriser, arbetskostnad och skatter.
Uppkoppling och anslutning
Beroende på vilken typ av verksamhet som serverhallen ska användas till kan fördröjning i uppkoppling spela roll. Ett exempel är bankverksamhet med köp och försäljning på börsen.
Tid till marknad
Digitala tjänster och arbeten ändras snabbt. Därför finns det inte utrymme för långa väntetider och beslutsprocesser som fördröjer byggnationen och uppstart av serverhallen. Om inte möjligheten till snabba beslut finns är sannolikheten stor att serveraktören bygger på annan plats.
Risk
Serverhallar byggs idag för att vara i drift dygnet runt under ett tidsspann på 20 till 30 år.
Detta medför att aktörer måste kunna säkerställa en minimal risk för oförutsedda driftstopp, oförutsedda avgifter och kostnadsökningar under denna period.
2.4 Tekniker för kyla
För att kyla serverhallar kan olika typer av kylsystem användas, se Figur 2.
Användningsområdet av dessa kylsystem varierar med avseende på det geografiska läget där dessa ska integreras i. Faktorer som påverkar val av kylsystem är: Omgivningstemperatur och befintlig utbyggnad av storskaliga kylsystem. En av de mest avgörande faktorerna som påverkar valet av kylsystem är kostnaden för investering och drift. Kylsystem kan kombineras eller användas var för sig.
Figur 2: Tekniker för kylning av serverhallar.
2.4.1 Fjärrkyla
Fjärrkyla innebär att kyla produceras på en central plats och distribueras sedan via rörsystem ut till byggnader och lokaler. För att kylprocessen ska hållas miljövänlig och effektiv, placeras ofta produktionsanläggningen i närheten av sjöar och vattendrag för att kunna pumpa upp kallt vatten och därmed kunna utnyttja den naturliga kylan från dessa. Från produktionsanläggningen distribueras vattnet vid ca 6 C i ett slutet fjärrsystem (Telge, 2016).
När det kalla vattnet har transporterats fram till en lokal eller byggnad, används en värmeväxlare som överför kylan från fjärrkylanätet till lokalens eget vattenledningssystem
(Telge, 2016). Det kalla vattnet som cirkulerar runt i lokalens egna kylsystem används för att kyla byggnaden. Under processen blir vattnet som cirkulerar runt i byggnaden varmt och återgår sedan till lokalens värmeväxlare. Från värmeväxlaren transporteras det varma vattnet, som har en temperatur på ca 16 C , tillbaka till produktionsanläggningen i returledningar, där det kyls på nytt. Hur en sådan kylprocess fungerar i praktiken illustreras i Figur 3. Systemet är ett slutet system där man använder sig av samma vatten under hela kylprocessen (Energiföretagen, 2017).
Figur 3: Kretsloppet av fjärrkyla.
Utbudet av fjärrkyla är ojämnt fördelat över Sverige och den totala produktionen 2014 var nästan 0,9 TWh. Stockholm stod för cirka 57 % av den totala produktionen. I Tabell 2
Tabell 2: Andel producerad fjärrkyla för län i Sverige.
Tabell 3: Produktion av fjärrkyla uppdelat per produktionsslag år 2013.
Kylproduktion (GWh) Andel
Kyla från värmepump 197 26 %
Frikyla 185 24 %
Fjärrkyla från
”annan lösning”*
168 22 %
Fjärrkyla från kylmaskin 134 17 %
Absorptionskyla 86 11 %
Summa 769 100 %
*Majoriteten av posten fjärrkyla ”från annan lösning” består av spillkyla från värmepumar vid Fortum Värme ABs fjärrkylaproduktion (Energimarknadsinspektionen, 2013).
Fördelen med att använda en centraliserad effektiv anläggning för kylproduktion är att det minskar behovet av andra energikrävande kylsystem och luftkonditioneringsaggregat, vilket sparar både energi och pengar. En annan fördel med fjärrkyla är att underhållningskostnader för ett fjärrkylasystem är låga eftersom systemet endast består av pumpar och värmeväxlare.
Fjärrkylanätet är vidare ett enkelt men säkert system, där risken för haveri är väldigt låg (Vattenfall, 2017).
2.4.2 Frikyla
Frikyla är ett begrepp som används när kall utomhusluft med en låg temperatur, används för att kyla anläggningar och fastigheter. Kylan är kostnadsfri och kan komma ifrån den omgivande luften, närbelägna sjöar, hav eller djuphålor. Om utomhusluften inte tillräckligt kall kan kallt sjö eller havsvatten användas för att kyla luften till en önskad temperatur. Kylan förs sedan till en värmeväxlare där den överförs till serverhallens slutna kylsystem där man kyler luften i serverhallen till en specifik temperatur (Energiföretagen, 2017).
Fördelen med frikyla är att kylan inte behöver framställas tekniskt, och att kylsystemet blir billigt i drift. Kylsystemet är dock inte kostnadsfritt då det krävs fläktar och pumpar som cirkulerar arbetsmediet i systemet (Energiföretagen, 2017).
Nackdelen med frikyla är att kylsystemet blir beroende av utomhustemperaturen. Om temperaturen blir för hög utomhus måste frikylesystemet kompletteras med andra kyltekniker för att kunna upprätthålla en lämplig temperatur i serverhallen. I de flesta fall sker detta oftast med hjälp av fjärrkyla eller kompressordrivna kylmaskiner (Belok, 2008).
2.4.3 Frikyla med kyltorn
En vanlig kylteknik för att utnyttja frikyla på ett bra sätt är att använda sig av ett öppet kyltorn, som innebär att kylningen sker evaporativt. Evaporativ kylning innebär att det behövs värme för att vatten ska kunna övergå från flytande till gasfas (Baltimore Aircoil Company, 2017). Den avgörande faktorn som påverkar hur mycket ett medium kan kylas med evaporativ kylning (våt kylning) är den omgivande luftens våta temperatur (Belok, 2008). Där den våta temperaturen beror av hur torr den omgivande luften är och dess fuktighet (Belok, 2008).
Figur 4: Temperaturdiagram över principiellt temperaturförlopp i ett kyltorn.
Kyltornets funktion kan beskrivas enligt följande: Varm luft alstras i serverhallen och tas upp av en kylledning som leder värmen vidare till en värmeväxlare där värmeenergi avges till kallare vatten som pumpats från kyltornet. När denna process har genomförts, kommer vattnets temperatur att sjunka och cirkulerar åter mot IT-utrustningen för att kunna ta upp värmeenergi på nytt. Det kalla vattnet som har tagit upp värmeenergin via värmeväxlaren blir varmt och leds åter till kyltornet för att kylas. Det varma vattnet pumpas till ovansidan av kyltornet där det varma vattnet sprutas ut genom munstycken och finfördelas på plastlameller i kyltornet.
På dessa plastlameller avdunstar vattnet och avger sin värme. Den inkommande luften för med sig värmen ut till omgivningen. Under processen sjunker vattnets temperatur och samlas längst ner i kyltornet i en bassäng. Från bassängen pumpas det kalla vattnet tillbaka till värmeväxlaren och processen upprepas (H.Montazeri, 2014). Det evaporativa kylsystemet visas i Figur 5.
Figur 5: Illustrerar frikyla med kyltorn.
Den totala kostnaden för ett öppet kyltorn beräknas enligt ekvation 1, (Shrestha, 2014).
(y 2002) 1,0398
(f ) 2314, 2 Q 26,15
Kyltorn KPI
K (1)
där resultatet KKyltorn anges i euro/kW, fKPI är konsumentprisindex som beräknas med dagens årtal i förhållande till år 2002 angivet dimensionlös, och Q är effekten angivet i kW.
Under de driftsförhållanden som kyltornet och övriga komponenter arbetar under finns stor risk för bakterietillväxt och korrosion, som leder till försämrad kyleffekt. För att kyltekniken ska fungera optimalt krävs regelbunden rengöring av kyltornet och dess komponenter samt underhåll av fläktar och pumpar (Baltimore Aircoil Company, 2017).
y
2.4.4 Kompressordriven kylmaskin och värmepump
Kylmaskiner och värmepumpar fungerar i stort sett på samma sätt och de består av samma komponenter: förångare, kompressor, kondensor och expansionsventil, se Figur 6. Första steget i en arbetscykel är att låta ett köldmedium passera förångaren där det tar upp värmeenergi Q , från omgivningen och börjar avdunsta eller koka. I kylprocessen används ett 2 köldmedium som har relativt låg kokpunkt för att enkelt kunna övergå från vätskefas till gasfas. Efter att ha passerat förångaren, leds köldmediet till kompressorn som har två huvudsakliga uppgifter. Dels att cirkulera köldmediet i systemet men också att höja både trycket och temperaturen (APC, 2007). Vid detta högre tryck avger sedan köldmediet värme Q , i kondensorn och temperaturen sjunker. Värmen som avges kan användas för att värma 1
bostäder och fastigheter. Slutligen passerar köldmediet en expansionsventil som leder till att trycket och temperaturen sjunker. Köldmediet kan återigen ta upp värme i förångaren. På detta sätt kan värme transporteras från förångaren till kondensorn. Det energipris som får betalas är den tillförda energin Q , till kompressorn. w
Figur 6: Principskiss för funktion av en kompressordriven kylmaskin.
Värmepumpen fungerar på samma sätt som kylmaskinen men det är istället värmen som är efterfrågad, kylan ses mer som en “spillprodukt”. Det innebär att både kyla och värme kan
nyttjas samtidigt med en värmepump. Värmeleverans vid kondensorn och kylleverans vid förångaren.För att mäta effektiviteten på kylmaskinen eller värmepumpen används mätvärdet
COP . Ekvation för beräkning av COP -värdet för kylmaskiner och värmepumpar är:
H värme
H L
COP T
T T
(2)
L Kyla
L H
COP T
T T
(3)
där T är den höga temperaturen vid kondensorn och H T är den låga temperaturen vid L förångaren. Ett annat sätt för att beräkna COP -värdet är:
1 Värme
w
COP Q
Q (4)
2 Kyla
w
COP Q
Q (5)
där Q är den avgivna värmen (W), 1 Q är den upptagna värmen, och 2 Q (W) är den elektricitet w som tillförs kompressorn för att komprimera köldmediet. COP -värdet indikerar hur mycket värme som fås ut per tillförd kWh elektricitet. Förhållandet mellan COPVärme och COPKyla visas nedan (Havtun, 2014).
2.4.5 Kylteknikernas effektivitet
De olika kylteknikerna fungerar på olika sätt och har därför olika köldfaktorer. Med köldfaktor avses förhållandet mellan avgiven energi och tillförd energi. Riktvärden för respektive kylsystems köldfaktor visas i Tabell 4, (Energimarknadsinspektionen, 2013).
Tabell 4: Drivmedel och årsköldfaktor för de olika kylproduktionsmetoderna.
Kylprocesser Drivmedel Årsköldfaktor
Frikyla El > 10
Kylvärmepump El 2 - 4
Kompressorkylmaskin El 3 - 7
Fjärrkyla - * -
*Beror av fjärrkylaproduktion
2.5 Värme
I följande avsnitt redogörs det för vad spillvärme är, hur den kan användas och i vilken utsträckning den utnyttjas av olika aktörer idag.
2.5.1 Spillvärme
Definitionen av spillvärme i denna rapport avser främst den industriella restvärmen från serverhallar. Spillvärmen kallas vidare även för restvärme eller överskottsvärme, som är en biprodukt från industriell produktion. Spillvärmen kan antingen användas för att värma upp ytor inom det egna området, ventileras ut till omgivningen eller säljas till andra leverantörer (Svensk Fjärrvärme, 2012). Att utnyttja biprodukten spillvärme är en vinst ur dels ett miljöperspektiv eftersom biprodukten annars skulle gå till spillo, men också ur ett ekonomiskt perspektiv då spillvärmen kan ersätta annan värme som behöver köpas in för uppvärmning av fastigheter och bostäder (Svenska Miljöinstitutet, 2012).
2.5.2 Tillvaratagande av spillvärme
Sverige ligger i framkant globalt gällande att utnyttja industriell spillvärme för uppvärmning av fastigheter och bostäder. Cirka 8 % av all tillförd energi till fjärrvärmenäten år 2014 utgjordes av spillvärme (Svensk Fjärrvärme, 2003). Spillvärmen kan antingen användas direkt för uppvärmning av närliggande ytor eller överföras i fjärrsystem för att kunna användas i ett större område. I en rapport från Svensk fjärrvärme (Svensk Fjärrvärme, 2003), ges en rad fördelar för användning av spillvärme i fjärrvärmeproduktion.
Utsläpp minskar då bränsleledning i kraftverken reduceras
130 C och då överföras direkt till framledningen av fjärrvärmen. Alternativt vid en lägre temperatur, 45-60 C , och då föras över till returledningen av fjärrvärmen (Svensk Fjärrvärme, 2009). Figur 7, visar hur spillvärme kan överföras till ett fjärrvärmenät med en värmepump.
Figur 7: Tillvaratagande av spillvärmen till fjärrvärmenätet.
I Stockholm genomför Fortum Värme en stor satsning på tillvaratagande av spillvärme från bland annat serverhallar, i ett projekt som heter öppen fjärrvärme. Affärsmodellen bygger på att spillvärmen återvinns till stadens fjärrvärmenät och gör det möjligt för företagen att få betalt för sin spillvärme. Priset som betalas för spillvärmen redovisas på timbasis och baseras på vid vilken temperatur spillvärmen lämnas vid samt utomhustemperaturen (Öppen Fjärrvärme, 2017).
Att tillvarata spillvärme är intressant för företagen då de kan vända en kostnad till en intäkt och för värmeleverantörerna är det en möjlighet att köpa in värmen och tillgodogöra den i fjärrnätet. De största utmaningarna med att ta tillvara på spillvärme från serverhallar är idag (Sivengård, 2017):
Installation- och anslutningskostnaden är hög
IT-lasten växer över tid, vilket innebär att nyttan med investeringen kommer sent
Befintliga datahallar har redan installerat annan kylkapacitet, vilket minskar värdet av nya värmepumpar
2.5.3 Fjärrvärme
Fjärrvärme är en storskalig metod som bygger på principen att distribuera värme till fastigheter från centrala anläggningar. Fjärrvärme är ett resurseffektivt sätt att producera värme på, då det innebär att man tar tillvara på resurser som annars skulle gå förlorade (Energiföretagen, 2017). Resurser som bland annat används som bränsle vid värmeproduktion är:
Avfall från hushåll och företag
Rester från skogsavverkningen
Träavfall från pappers- och träindustrin
Överskottsvärme från industri och datahallar (Energiföretagen, 2017)
Fjärrvärmeföretagen effektiviserar och utvecklar produktionen kontinuerligt och 2015 användes cirka 41 % biobränslen, 21 % från avfall och 8 % spillvärme för värmeproduktionen i Sverige (Energiföretagen, 2017). Fjärrvärmen distribueras med hjälp av vatten i ett slutet så kallat fjärrvärmenät. Vattnet i fjärrvärmenätet levereras med en framledningstemperatur på 70 till 130 C till de anslutna fastigheterna. Vidare används en värmeväxlare i varje ansluten fastighet för att överföra värmen från fjärrvärmenätet till fastighetens eget slutna vattenledningssystem. Efter att värmen avgivits i fastigheten pumpas det nu svalare vattnet tillbaka i returledningar till värmeverket där det värms på nytt (Svensk fjärrvärme, 2017).
Fjärrvärme är ett av de vanligaste sätten att värma upp fastigheter och bostäder. Det levereras årligen cirka 50 TWh värme till cirka 300 000 kunder runt om i Sverige
2.6 El
Serverhallar kräver en stor mängd elektricitet. Mestadels till IT-utrustningen, men också en betydande del till kylsystemet. Som det konstaterades tidigare lockas serverhallsaktörer till Sverige på grund av billig och förnyelsebar el.
El framställs i Sverige främst genom kärnkraft och vattenkraft, men också en del vind, sol, bio och kraftenergi. El är en energibärare och det innebär att el transporterar energi från kraftverket där den produceras till platsen där den förbrukas. För att elsystemet ska fungera så krävs det att mängden konsumerad el är lika stor som mängden producerad el. För att balansera kraftiga variationer mellan konsumtion och produktion, exporteras och importeras el till och från grannländerna (Ekonomifakta, 2017).
Tabell 5: Total elproduktion i Sverige, 2016.
2016 uppgick den svenska elproduktionen till 152 TWh och utsläppen för el beräknades till cirka 20 gram koldioxid per kilowattimme (Svensk energi, 2016). Men då Sverige utbyter el med andra länder beräknas el i Sverige utifrån ett nordiskt perspektiv generera närmare 100 gram koldioxid per kilowattimme (Svensk energi, 2016).
Regeringen beslutade år 2016 att serverhallar, eller datorhallar med en installerad effekt på 0,5 megawatt eller mer, har rätt till en lägre skattenivå för elektricitet. Detta för att öka konkurrenskraften inom branschen och öka incitamenten för etablering på svensk mark. Det
innebär att den nya skattenivån ligger i linje med övrig svensk tillverkningsindustri på 0,5 öre/kWh istället för 29,5 öre/kWh exklusive moms (Skatteverket, 2016). Vilket motsvarar en reducering av det totala elpriset på 35-40 % (BCG, 2016)
2.6.1 Energieffektivitet i serverhallar
För att mäta hur effektiv en serverhall är används ofta ett mått som kallas PUE, och beräknas genom:
elförbrukning elförbrukning Total
PUE IT utrustningens
(7)
där Total elförbrukning och IT utrustningens elförbrukning från serverhallen anges i (W).
Måttet anger hur stor andel av den totala elförbrukningen som går till IT-utrustningen. Ett PUE-värde på 2,0 betyder att för varje watt IT- utrustningen förbrukar går en extra watt till kylanläggning, energidistribution och belysningsutrustning. Om anläggningen vore optimal och det inte existerade några förluster skulle all el gå till servrarna och PUE-värdet skulle bli 1,0 (NRDC, 2014). Som det framgår i ekvationen tar inte PUE-värdet hänsyn till om elen är förnyelsebar eller om anläggningen har värmeåtervinning.
3. Kylmodeller
I följande kapitel kommer fyra kylsystem att jämföras. Det som kommer tas hänsyn till i kalkylerna i de valda kylmodellerna är; investeringskostnad, driftkostnad, underhållskostnad, försäljning av spillvärme och utsläpp av koldioxid.
3.1 Antaganden för kylmodeller
1 MW installerad effekt IT-utrustning, med konstant last
Kostnadsbäraren för elnätsavgiften är IT-utrustning och inte kylsystemet
Inga förluster i värmeväxlare och rörsystem
Elmedelpris för de senaste 7 åren är 43 öre per kWh exklusive moms, se bilaga 3.
Elskatt på 29,5 öre/kWh exklusive moms
Reducerad elskatt 0,05 öre/kWh exklusive moms
El till komponenter inne i serverhallen tas inte med i kalkylberäkning då den är lika för samtliga modeller
Maximal tillåten temperatur i serverhall 25 C
Kalkylräntan (r) i beräkningar ansätts till 5 %, baserat på en 7 % låneränta minus 2 % inflation.
Kylsystemens förväntade livslängd (n) är 20 år 3.1.1 Kostnadskalkyl
En gemensam kostnadskalkyl ansätts för alla kylmodeller för att beräkna livscykelkostnaden.
För att ta justera framtida kostnader och intäkter till dagens pengavärde används nuvärdessumma i kostnadskalkylen.
(D U F )
Kostnad Kostnad Kostnad Intäkt
LCCI NS (8)
där resultatet LCC är livscykelkostnaden (Life Cycle Cost), angivet i kr. IKostnad är investeringskostnaden, DKostnad är årlig driftkostnad, UKostnad är årlig underhållskostnad och
Intäkt
F är årlig intäkt för försäljning av spillvärme, angivet i kr. NS är nuvärdessumman.
Nuvärdesumman beräknas enligt ekvation 9.
1 (1 r) n
NS r
(9)
där r, är kalkylräntan, och n, är antal år.
I resultatet redovisas både livscykelkostnaden samt ackumulerad totalkostnad för varje år med justering till dagens penningvärde.
3.2 Fjärrkyla
Följande avsnitt behandlar kostnad- och miljöberäkning för fjärrkylateknik. Då Stockholm har den största fjärrkylaproduktionen enligt Tabell 2, antas denna modell att vara i drift under dessa förhållanden. COPFjärrkyla uppges till 6.8 (Fortum Värme, 2016).
3.2.1 Ekonomi
Investeringskostnad
Investeringskostnad för fjärrkylasystem innefattar en fjärrkylacentral beståendes av värmeväxlare och styrsystem. Kostnaden för detta uppskattas till cirka 750 kr/kW per installerad effekt (Energimarknadsinspektionen, 2013).
Driftkostnad
Det finns olika prismodeller för fjärrkyla, men då kyltekniken är avsedd för användning i Stockholmsregionen baseras priset enligt Fortum värmes avtal då de är största aktören på den marknaden. Prisavtalet består av en fast grundavgift på 240 000 kr per år men också en effektdel på 1319 kr/kW, som baseras på behovet av kyleffekt. Priserna anges exklusive moms (Fortum Värme, 2016). Utöver den fasta och rörliga delen kan även en
om värmeväxlaren ska plockas isär vid service samt hur ofta det genomförs. Kostnaden för underhållet uppskattas till 2 % av investeringen för kylsystemet.
3.2.2 Miljö
Koldioxidutsläppen som genereras antas utgöras av el för fjärrkylaproduktionen. Men enligt Fortum värmes miljörapport (Fortum Värme, 2016) sägs använd el komma från förnyelsebara källor och bidrar därför med 0 gram. Men för att kunna göra en rättvis jämförelse ansätts all el för kylmodellerna att komma från svensk medelmix, 20 gram , se avsnitt 2.6.
på 6,8 för beräkning hämtas från miljörapport (Fortum Värme, 2016).
3.3 Frikyla med kyltorn
Följande avsnitt behandlar kostnad- och miljöberäkning för frikylateknik med kyltorn.
Kylsystem med högt utnyttjande av frikyla har enligt Tabell 4, ett COPKyla över 10. Ett COPKyla på 12,5 antas som medelvärde för hela året, för kylsystemet med kyltorn. Med en
högsta Tvåttemp in, på 15 C över sommarperioden, se bilaga 2, och en antagen approach på 5 C , se avsnitt 2.4.3, bör ett kyltorn kunna sänka kylvätskans ingående temperatur till cirka 20 C den varmaste perioden över sommaren. Dock riskeras denna temperatur att överstigas de absolut varmaste dagarna på året, vilket kräver annan kylkapacitet för att säkerställa rätt temperaturnivå. Denna reservkylkapacitet bortses ifrån i denna beräkning.
3.3.1 Ekonomi
Investeringskostnad
Investeringskostnaden utgörs av kyltornet med en beräknad kostnad av 256 000 kr, enligt ekvation 1. Värmeväxlare med styrsystem uppskattas till 750 kr/kW installerad effekt enligt, (Energimarknadsinspektionen, 2013). Ett kostnadspåslag med 8 % av kyltornet och värmeväxlaren, antas för vattenpump och rör. Kostnaden för vatten som måste tillsättas på grund av avdunstning är svårt att uppskatta. Det tas inte hänsyn till denna i kalkyl.
2/
CO kWh
Fjärrkyla
COP
Driftkostnad
Med ett antaget COPKyla på 12,5 blir elförbrukningen 80 kW vid en kyleffekt på 1000 kW, enligt ekvation 5. El går till fläktar och vattenpumpning.
Underhållskostnad
En årlig underhållskostnad för kyltornet med tillhörande komponenter ansätts till 90 000 kr och för värmeväxlaren ansätts 2 % av investering för denna.
3.3.2 Miljö
Koldioxidutsläppen som genereras antas utgöras av el till pumpar och fläktar för kylanläggningen. Utsläppen uppgår till 20 gram CO2/kWh enligt svensk medelmix, se avsnitt 2.6.1.
3.4 Kylmaskin
Följande avsnitt behandlar kostnad- och miljöberäkning för kylvärmepump med värmeåtervinning. Enligt Tabell 4 förhåller sig COPKyla för kylmaskiner inom ett intervall på 3-7. Det antas ett årligt medelvärde 4 för COPKyla. Vilket innebär att kyleffekten uppgår till 1 MW vid ett tillfört arbete med 0,25 MW enligt ekvation 5.
3.4.1 Ekonomi
Investeringskostnad
Investeringskostnaden uppgår till 1400-3500 kr/kW installerad effekt för en nyckelfärdig kylmaskin (Energimarknadsinspektionen, 2013). Intervallet är stort och det dyraste alternativet är 150 % dyrare än det billigaste alternativet. Ett medelvärde på 2450 kr/kWh antas.
Driftkostnad
Driftkostnaden blir elkostnaden för kylmaskinen.
Underhållskostnad
Underhållskostnad för en kylvärmepump uppgår till 3-5 % av investeringskostnaden plus 20 kr/MWh för anläggningar med en kyleffekt på 1MW eller mer (Energimarknadsinspektionen, 2013).
3.4.2 Miljö
Koldioxidutsläppen som genereras antas utgöras av el kylmaskinen. Utsläppen uppgår till 20 gram CO2/kWh enligt svensk medelmix, se avsnitt 2.6.1.
3.5 Kylvärmepump med värmeåtervinning
Följande avsnitt behandlar kostnads- och miljöberäkning för kylvärmepump med värmeåtervinning. I arbetet ansätts kyltekniken att vara i drift i Stockholm då det finns ett välutbyggt fjärrvärmenät samt en färdig affärsmodell för tillvaratagande av spillvärme från serverhallsaktörer, se avsnitt 2.5.2. Enligt Tabell 4 förhåller sig COPVärme för kylvärmepumpar inom ett intervall av 2-4. Ett medelvärde på 3 antas. Vilket innebär att avgiven värmeeffekt uppgår till 1,5 MW för 0,5 MW tillförd el, se ekvation 4. Detta leder i sin tur till att kyleffekten blir 1 MW, se ekvation 6.
3.5.1 Ekonomi
Investeringskostnad
Investeringskostnaden för en nyckelfärdig kylvärmepump uppgår till 1400-3500 kr/kW installerad effekt (Energimarknadsinspektionen, 2013). Intervallet är stort och det dyraste alternativet är 150 % dyrare än det billigaste alternativet. Ett medelvärde på 2450 kr/kWh antas.
Driftkostnad
Driftkostnaden blir elkostnad för kylvärmepumpen minus intäkten för försäljning av spillvärmen. Det antas att kylvärmepumpen har kapacitet att lyfta temperaturen till 68 som är kravet för integrering av spillvärmen till Fortums fjärrvärmenät i Stockholmsregionen (Brolin, 2017). För spillvärmen betalas olika belopp vid olika tidpunkter på dygnet och beror av utomhustemperaturen. Då temperaturen understiger 7 C levereras spillvärmen med full effekt. Vilket motsvarar i genomsnitt halva tiden av året. Med ökad utomhustemperatur
C
3.5.2 Miljö
Koldioxidutsläppen som genereras antas komma från el till kylvärmepumpen. Utsläppen uppgår till 20 gram CO2/kWh enligt svensk medelmix, se avsnitt 2.6.1. Vilket med det tidigare antagna värdet för COPKyla, ger enligt ekvation 5, 13,3 gram CO2 /kWh för överförd spillvärme från serverhallen till fjärrvärmenät. Fjärrvärmeproduktionen i centrala Stockholm genererar 63,8 gram CO2/kWh (Fortum Värme, 2016) Från ett systemperspektiv kommer spillvärmen från serverhallen tränga undan ordinarie fjärrvärmeproduktion med motsvarande värmemängd. Vilket innebär att nettoutsläppet för systemet blir:
2,Spillvärme 2,Fjärrvärme
NettoutsläppCO CO (9)
3.6 Känslighet av modell
För att testa känsligheten i modellerna ändras följande parametrar:
För den ekonomiska delen ändras elskatten för frikyla, kylvärmepump och kylmaskin från 0,05 öre/kWh till 29,5 öre/kWh exklusive moms. Detta för att likställa skattevillkoren för de valda kylteknikerna.
För den ekonomiska delen ändras även den ansatta kalkylräntan på 5 %. Om drift och underhållskostnaden ökar med en viss procentsats per år, minskas kalkylräntan med motsvarande del för beräkning av nuvärdessumman. Motsatsen gäller om drift och underhållskostnaden minskar med en viss procentsats varje år, då ökar kalkylräntan med motsvarande del (Energihandboken, 2017). Ett exempel kan vara elpriset som ändras, annan prissättning av spillvärme eller liknande. Därför testas en kostnadsändring med totalt 3 procentenheter upp och motsvarande 3 procentenheter ner.
För den miljömässiga delen ändras elursprunget från svensk medelmix till nordisk medelmix för samtliga modeller. Det vill säga från 20 gram CO /kWh till 100 gram 2
CO /kWh. 2
4. Resultat och diskussion
I följande avsnitt redovisas och diskuteras resultatet av modellerna och känslighetsanalysen.
4.1 Sammanställning av resultat
I Tabell 6, visas en sammanställning av resultatet för ekonomi och miljö för 20 års drift.
Tabell 6: Livscykelkostnad och koldioxidutsläpp för kylteknikerna.
Fjärrkyla Frikyla med kyltorn
Kylmaskin Kylvärmepump med
värmeåtervinning
Kostnad
I (kr) 750 000 1 010 000 2 450 000 2 450 000
Kostnad
D (kr/år) 1 949 000 381 000 1 191 000 739 000
Kostnad
U (kr/år) 23000 105 000 273 000 273 000
LCC (kr) 25 410 000 7 063 000 20 695 000 15 066 000
CO (ton) 2 450 245 876 - 6613**
COP 6,8* 12,5 4 3
* Uppgivet från fjärrkylaleverantör (Fortum Värme, 2016).
** Beräknat nettoutsläpp
4.1.1 Ekonomiresultat
I Figur 8, visas resultatet för den ackumulerade totalkostaden för kylteknikerna i dagens penningvärde för varje år, med en kalkylränta på 5 %.
Figur 8: Ackumulerad totalkostnad för respektive kylteknik, för varje år i dagens penningvärde, med skattereducering.
Resultatet för kostnaden av kylsystemen visar på att frikylatekniken ger den lägsta totalkostnaden efter 20 år. Detta beror av den låga driftkostnaden. Försäljningen av spillvärmen gör att totalkostnaden för kylvärmpepumpen blir cirka 5,6 miljoner kronor, eller cirka 27 % lägre än för kylmaskinen, trots en högre elanvändning för kylvärmepumpen.
Kostnadsdifferensen blir dock troligtvis lägre då kostnad för anslutning till fjärrvärmenätet
4.1.2 Miljöresultat
I Figur 9, visas de totala koldioxidutsläppen för respektive kylsystem vid 20 års användning.
Figur 9: Ackumulerat koldioxidutsläpp för 20 års drift, med svensk medelmix.
Resultatet visar att kylvärmepump med återvinning av spillvärmen ger det lägsta koldioxidutsläpp efter 20 år. Anledningen till att resultatet för kylvärmepumpen är negativt är för att värmen som återvinns ersätter ordinarie fjärrvärmeproduktion, som har ett högre utsläpp av koldioxid per kilowattimme än vad som går åt för att producera värmen med kylvärmepump vid serverhallen. I och med att koldioxidutsläppen för de övriga teknikerna direkt beror av elförbrukningen, har frikylatekniken med lägst elförbrukning även lägst utsläpp. Kylmaskinen genererar högst utsläpp följt av fjärrkylateknik. Att analysera miljöpåverkan för kylmodellerna är svårt då modellen bygger på att det är tillfört arbete (el) som genererar utsläppen. I fallet med fjärrkylan uppger fjärrkylaleverantören att de bidrar med 0 gram koldioxid per kilowattimme, då el som används för kylaproduktionen är förnyelsebar. Men för att kunna göra en rimlig jämförelse mellan kylteknikerna ansattes medelmix för samtliga kyltekniker. Att anta förnyelsebar el för endast en kylteknik och Sverigemix för de andra tre kylteknikerna skulle ge en skev bild då kyltekniken med förnyelsebar el inte skulle ge upphov till något koldioxidutsläpp. Alternativet är att ansätta
förnyelsebar el för samtliga modeller, men det skulle resultera i att utsläppen blir 0 gram koldioxid för alla kyltekniker.
4.2 Sammanställning av känslighetsanalys
I Tabell 7 redovisas resultatet för känslighetsanalysen, där elskatt och elmix ändrats. I Tabell 8 visas livscykelkostanden för kylteknikerna med olika kalkylräntor.
Tabell 7: Resultat för totalkostnad utan skattereducering och koldioxidutsläpp med Nordisk medelmix.
Fjärrkyla Frikyla med kyltorn
Kylmaskin Kylvärmepump med
värmeåtervinning Driftkostnad med
skattereducering (kr/år)
1 949 000 381 000 1 191 000 739 000
Driftkostnad utan skattereducering (kr/år)
1 949 000 636 000 1 985 000 2 327 000
Driftskillnad (%) 0 67 67 315
LCC med
skattereducering (kr)
25 410 000 7 063 000 20 695 000 15 066 000 LCC utan
skattereducering (kr)
25 410 000 10 229 000 30 588 000 34 853 000 Totalkostnadsskillnad
(%)
0 45 48 131
Svensk medelmix (ton) 450 245 876 - 6000*
Nordisk medelmix(ton)
2246 1226 4380 376**
Skillnad (%) 500 500 500 1700
Tabell 8: Livscykelkostnad för kylteknikerna med olika kalkylräntor.
Kalkylränta % Fjärrkyla Frikyla med kyltorn
Kylmaskin Kylvärmepump med
värmeåtervinning
2 33 105 000 8 954 000 26 389 000 19 003 000
3 30 189 000 8 237 000 24 231 000 17 511 000
4 27 642 000 7 612 000 22 346 000 16 208 000
5* 25 410 000* 7 063 000* 20 695 000* 15 066 000*
6 23 446 000 6 581 000 19 242 000 14 061 000
7 21 713 000 6 155 000 17 966 000 13 175 000
8 20 178 000 5 778 000 16 824 000 12 389 000
*Ordinarie resultat
Som det framgår av resultatet har kalkylräntan stor betydelse för livscykelkostnaden. Med en årlig ökning i pris för drift och underhåll blir avkastningen lägre och den totala kostnaden högre. Som det kan ses i bilaga 3, har elpriset fluktuerat kraftigt de senaste 10 åren och det går inte att se någon tydlig trend för hur priset utvecklar sig. Resultatet i tabell 8 kan dock
användas för att ge en prognos för hur livscykelkostnaden skulle se ut om det fanns en tydlig årlig ökning eller minskning av elpriset.
4.2.1 Ekonomiresultat
I Figur 10, illustreras en sammanställning av den totala kostnaden för de olika kylsystemen.
Figur 10: Kostnaden för respektive kylteknik för varje år i dagens penningvärde, utan skattereducering.
Med ett elpris baserat på ett ordinarie skattepris på 29,5 öre/kWh är livscykelkostnaden för frikylasystemet fortfarande lägst efter 20 år. Detta då det höga COP-värdet minskar känsligheten för ändringar av elpriset. Kylsystemen med störst känslighet för ändring av elpriset är kylmaskinen och kylvärmepumpen. Kylvärmepumpens höga elförbrukning gör att det alternativet blir dyrast efter 20 år, trots försäljning av spillvärme till externa fjärrvärmeleverantörer. Utifrån en fjärrkylaleverantörs perspektiv är denna jämförelse
4.2.2 Miljöresultat
I Figur 11, illustreras en sammanställning av de totala koldioxidutsläppen för de olika kylsystemen.
Figur 11: Ackumulerat koldioxidutsläpp för 20 års drift, med nordisk medelmix.
Resultatet visar att el med nordisk medelmix gör kylvärmepumpen med återvinning av spillvärmen till det mest miljövänliga alternativet. Kylsystemens bidrag till koldioxidutsläpp ökas direkt proportionerligt mot elförbrukningen. Då frikylatekniken har det lägsta behovet av el för drift påverkas denna mindre än de andra kylteknikerna. Kylmaskinen som har ett stort behov av el för drift uppvisar däremot högst utsläpp i jämförelsen som kan ses i Figur 11.
Fjärrkylans resultat för el med nordisk medelmix visar på stora utsläpp av koldioxid. Detta i kontrast till leverantörens eget miljövärde på 0 gram. För att se individuella miljöresultat för de respektive kylsystemen, se bilaga 1.
4.3 Slutdiskussion
Som det framgår i rapporten finns det många parametrar som påverkar den totala kostnaden och miljöpåverkan för de presenterade kylssystemen. För den ekonomiska delen gjordes många antaganden och modellerna bygger på ett urval av variabler. Detta leder till en viss osäkerhet av slutresultatet. För kylmodellerna i rapporten antas konstant drift året runt vilket
inte är praktiskt möjligt då systemens underhåll kräver avstängning, isärplockning och ibland rengörning av diverse komponenter. Det innebär att det måste finnas annan tillgänglig kylkapacitet som reserv för att bibehålla god kylförmåga. Detta leder till att kylmodellerna i rapporten inte kan ses som representativa för en fullständig kylanläggning för en serverhall.
Resultatet visar dock på att det finns stora skillnader i kostnad mellan de olika systemen och att en hög utnyttjandegrad av frikyla kan sänka totalkostnaden för kylan i stor utsträckning.
Att återvinna spillvärme till ett fjärrvärmenät är lönsamt ekonomiskt så länge elpriset är lågt.
Vid en ökning av elpriset blir kostnaden för temperaturhöjningen av spillvärmen högre än intäkten för försäljningen av denna. Däremot visar resultatet av modellerna att tillvaratagande av spillvärmen kraftigt reducerar koldioxidutsläppen i ett systemperspektiv såvida elmixen för kylvärmepumpen produceras inom Sverige. Dock kommer nyttan med tillvaratagande av spillvärme ur ett miljöperspektiv att minska i takt med att fjärrvärmeproduktionen effektiviseras och koldioxidutsläppen minskar. Debatten kommer då snarare handla om ifall el, eller restavfall från industrier, ska användas för uppvärmning av fastigheter och bostäder.
5. Slutsats och förslag på framtida arbete
Utifrån rapportens syfte och mål dras följande slutsatser
Kylanläggningar med hög utnyttjandegrad av frikyla kommer att ge den lägsta totalkostnaden för kylsystemet efter 20 år. Därav bör serverhallar placeras i nordligt klimat med stor tillgång till kall luft och kallt vatten.
Fjärrkyla skulle vara ett konkurrenskraftigt alternativ till kylmaskiner och kylvärmepumpar om inte skattepolitiken hade missgynnat fjärrkylaleverantörerna.
Detta eftersom fjärrkylaleverantörer inte är berättigade skattesubvention på el.
Att återvinna spillvärme till ett fjärrvärmenät kan reducera kostnaden med cirka 5,6 miljoner efter 20 år, under förutsättningen att elpriset hålls på en likvärdig nivå som idag samt att skattesubventionen för serverhallar består. Tillvaratagande av spillvärme från serverhallar kan reducera koldioxidutsläppen mycket ur ett systemperspektiv.
Att bedöma vilken kylteknik som är mest lämplig för kylning av serverhallar är svårt att avgöra då lokala förutsättningar varierar och många parametrar behöver tas hänsyn till.
Kylmodellerna som har jämförts i detta arbete bygger på generella data för system och komponenter. En rekommendation för framtida arbete vore att genomföra en fallstudie där mer exakt data kan inhämtas från serverhallsaktörer för att öka tillförlitligheten av resultaten.
Det rekommenderas även att väga in reservkylkapacitet i kylmodellerna för att få en mer verklighetstrogen bild för den totala livscykelkostnaden och genererade koldioxidutsläppen.
Det vore även intressant att undersöka andra typer av miljövärden för kylsystemen.
Litteraturförteckning
Albert Greenberg, J. H. (2009). The cost of a cloud: Research Problems in data center Network. Microsoft Research, Redmond, Washington.
Anixer. (2012). Data Center Infrastructure Resource Guide. Anixer Inc. World Headquarters.
Anixer.
APC. (2007). Fundamental Principles of air conditioners for information technology. APC.
Baltimore Aircoil Company. (2017). Baltimore Aircoil Company. Hämtat från
http://www.baltimoreaircoil.com/english/resource-library/file/823 den 08 05 2017 Baltimore Aircoil Company. (2017). Baltimore Aircoil Company. Hämtat från
http://www.baltimoreaircoil.com/english/what-is-evaporative-cooling den 12 05 2017 Baltimore Aircoil Company. (2017). Drift och skötsel instruktion. Hämtat från
https://www.baltimoreaircoil.eu/sites/BAC/files/BAC_SkotselVL_MVLv09SV.pdf den 12 05 2017
BCG. (2016). Capturing the data center opportunity- How Sweden can become a global front-runner in digital infrastructure. Stockholm: The Boston consulting group.
Belok. (2008). Frikyla med kyltorn- Utvärdering av pilotprojekt om frikyla från evaporativt kyltorn kopplat till vattenburen komfortkyla. CIT Energy Management. Göteborg:
Belok.
Brolin, M. (den 09 05 2017). Affärsutvecklare, Fortum. Sverige: Personlig kommunikation.
Ekonomifakta. (den 14 03 2017). (C. Holmström, Producent) Hämtat från
http://www.ekonomifakta.se/Fakta/Energi/Energibalans-i-Sverige/Elproduktion/ den 18 04 2017
Energi & Miljö. (den 21 02 2013). Energi & Miljö- Tekniska Föreningen. (M. Granmar, Producent) Hämtat från http://www.energi-miljo.se/energi-miljo/datorerna-bade- varmer-och-kyler den 18 04 2017
Energimarknadsinspektionen. (2013). Kartläggning av marknaden för fjärrkyla. Eskilstuna:
Energimarknadsinspektionen.
Energimyndigheten. (2011). Energimyndighetens satsning på grön IT. Energimyndigheterna.
Eskilstuna: Energimyndigheten.
Energimyndigheten. (2013). Energieffektivisering i stora kylsystem. Energymyndigheten.
Eskilstuna: Energimyndigheten.
EON. (2015). EON miljonsatsar på industriell spillvärme. ERA energiföretagen Sverige.
Ericsson. (2016). Ericsson Mobility Report. Ericsson. Stockholm: Ericsson.
Fortum Värme. (den 01 12 2016). Fortum Värme. Hämtat från
https://www.fortum.com/countries/se/SiteCollectionDocuments/prisavtal-processkyla- 14gr-2017-160907.pdf den 03 05 2017
Fortum Värme. (2016). Fortum värmes miljövärden 2016. Hämtat från
https://www.fortum.com/countries/se/SiteCollectionDocuments/k6_PROV- 0140_Miljoarsredovisning_2016_final.pdf den 27 04 27
Fortum Värme. (2017). Hämtat från Öppen Fjärrvärme:
https://www.oppenfjarrvarme.se/pilot/hm2/ den 22 3 2017
Fortum Värme. (2017). Hämtat från Öppen Fjärrvärme: https://www.oppenfjarrvarme.se/om- oss/ den 22 3 2017
Google. (2017). Google data centers. Hämtat från Efficiency: How we do it:
https://www.google.com/about/datacenters/efficiency/internal/#temperature den 18 04 2017
H.Montazeri. (2014). Evaporative cooling by water spray systems: CFD simulation, experimental validation and sensitivity analysis. Eindhoven.
Havtun, H. (2014). Applied Thermodynamics- Collectionof formulas. Stockholm, Sverige : Studentlitteratur.
Holmström, C. (den 13 2 2017). ekonomifakta. (C. Holmström, Redaktör) Hämtat från http://www.ekonomifakta.se/Fakta/Energi/Energibalans-i-Sverige/Elanvandning/ den 13 2 2017
John Niemann, J. B. (u.d.). Economizer Modes of data center cooling systems. Schneider Electric.
Katarina Abrahamsson, J. N. (2013). Kartläggning av marknaden för fjärrkyla. Eskilstuna:
Energimarknadsinspektionen.
Luleå Data Center. (den 27 04 2017). Luleå Data Center. Hämtat från
https://www.facebook.com/LuleaDataCenter/app/115276998849912/ den 27 04 2017
NCC. (u.d.). (NCC) Hämtat från https://www.ncc.se/vara-projekt/serverhall-facebook-lulea/
den 13 3 2017
NRDC. (2014). Data center efficiency assessment. New York: Natural Resources Defense Council.
Qinghui Tang, S. K. (2007). Thermal- Aware task scheduling for data centers through minimizing heat recirculation. Arizona State University, School of Computing and Informatics, Tempe, Arizona.
Rylander, E. (den 21 1 2015). oppenfjarrvarme. Hämtat från
http://www.oppenfjarrvarme.se/media/Heat-Recovery-from-Data-Centers-Rylander- 20150121.pdf den 17 3 2017
Shrestha, N. L. (2014). Catalogue of advanced technical concepts for Net Zero Energy Data Centres. RenewIT.
Sivengård, P. (den 28 04 2017). Technical Manager, Fortum. Sverige: Personlig Kommunikation.
Skatteverket. (den 17 11 2016). Hämtat från
https://www.skatteverket.se/foretagochorganisationer/skatter/punktskatter/nyheter/201 6/nyheter/forandringaravenergiskattenfranochmedden1januari2017.5.3152d9ac158968 eb8fd10ac.html den 17 3 2017
Skövde Värmeverk. (u.d.). Hämtat från http://www.varmeverk.skovde.se/vad-ar-fjarrvarme/
den 17 3 2017
SMHI. (2017). SMHI. Hämtat från
https://www.smhi.se/klimatdata/meteorologi/kartor/monYrTable.php?myn=2016&par
=tmp den 27 04 2017
Sun microsystems. (den 15 09 2009). Sun microsystems. Hämtat från https://www.kth.se/polopoly_fs/1.226025!/Menu/general/column- content/attachment/Energianvändning_i_IT-sektorn.pdf den 18 04 2017
Svensk fjärrvärme. (2017). Hämtat från
http://www.svenskfjarrvarme.se/Medlem/Fokusomraden-/Energitillforsel-och- produktion/Spillvarme/ den 21 2 2017
Svensk Värme. (2017). Svensk Värme. (A. G. Formgivning, Redaktör) Hämtat från http://svenskvarme.com/service-underhall/ den 10 05 2017
Svenska Miljöinstitutet. (2012). Primärenergi i avfall och restvärme.
Telge. (den 13 8 2016). Hämtat från http://www.telge.se/fjarrvarme-energitjanster/fjarrkyla/
den 14 2 2017
Upphandlingsmyndigheten. (den 23 11 2016). Hämtat från
http://www.upphandlingsmyndigheten.se/omraden/lcc/lcc-kalkyler/generell-kalkyl/
den 20 05 2017
Vattenfall. (2017). Hämtat från https://www.vattenfall.se/foretag/fjarrvarme/tjanster-och- service/var-fjarrkyla/ den 2017 2 2017
Öppen Fjärrvärme. (2017). Hämtat från https://www.oppenfjarrvarme.se/om-oss/ den 22 05 2017
Öppen Fjärrvärme. (2017). Hämtat från https://www.oppenfjarrvarme.se/pilot/hm2/ den 22 05 2017
Öppen Fjärrvärme. (den 03 05 2017). Öppen Fjärrvärme. Hämtat från
https://www.oppenfjarrvarme.se/anbud-avrop/anbudspriser-stockholm-norr/ den 03 05 2017
