革新的なゼオライト製「熱電池」により、工場の排熱がデータセンターの冷却に役立つ可能性

研究は初期段階ながら、有望な実験結果を報告

工場からの廃熱は、ニューヨーク大学（NYU）の研究者が開発した鉱物を用いたシステムにより、データセンターの冷却に利用できる可能性があります。

NYUのチームはゼオライトという鉱物を用いた実験を行っており、これを冷却システムの「熱電池」として利用できると考えています。従来のヒートシンクの代わりに機能させることを目指しています。

研究者たちはこの成果について論文を発表しており、データセンターの電力コストを大幅に削減する可能性があると報告しています。

ゼオライト熱電池の仕組み

ゼオライトは無数の微細な孔を持つ結晶質の材料で、水蒸気を吸着する驚異的な能力を持っています。乾燥したゼオライトが水蒸気に触れると、それを吸着して熱を放出します。逆に、材料が十分に加熱されると再び水分が放出され、サイクルがリセットされる仕組みです。

この鉱物はすでに水処理や石油精製などの用途で広く使われており、調達コストも安価です。さらに、熱エネルギーが時間とともに徐々に失われるのではなく、次に水が注入されるまでゼオライト内に保持されるのが大きな特徴です。そのため、長期間の保管だけでなく、長距離の輸送にも適しています。

データセンター向けのこのシステムは、化学プラントや製油所などの工業施設で発生する廃熱を利用して、ゼオライトを乾燥させることで機能します。これらの施設では200°C（392°F）未満の低〜中温の廃熱が発生しますが、これによってゼオライト熱電池を「充電」し、データセンターへ輸送することが可能になります。

現地に到着すると、プロセスは逆方向に進みます。乾燥したゼオライトが、サーバールームから排出された温風や冷却液の熱を吸着し、実質的なヒートシンクとして機能するのです。研究者たちは、この吸着プロセスが、従来のデータセンターで使われてきた圧縮式チラーに取って代わる可能性があると述べています。

論文の筆頭著者である化学・生体分子工学のDharik Mallapragada助教授は、次のように述べています。 「データセンターの電力需要は、米国の電力市場全体で見ればまだごく一部ですが、現在は急速に拡大しています。これは（右肩上がりの消費）カーブを押し下げるチャンスであり、関係するすべての人にとって有益な形で、より持続可能な未来を目指す機会なのです。」

サーマルバッテリーとデータセンター：大幅な節電の可能性

NYUの研究チーム（Dharik Mallapragada、Pavel Koț教授、およびポスドク研究者のGilvan Farias Neto含む）は、詳細な熱力学モデリングを用いて、提案されたシステムと従来の構成との比較を行いました。この比較対象には、圧縮チラーで冷却されるデータセンターと、冷却塔を通じて廃熱を排出する工業施設が含まれています。

チームの推定によると、さまざまな運用条件下において、この提案されたアプローチは冷却施設と産業施設で使用される総電力を75%以上削減できる可能性があります。データセンター単体で見ても、冷却のための電力消費を最大86%削減することが可能です。これはエネルギー効率の観点から言えば、PUE（電力使用効率）が12%向上することを意味します。

この複合システムは蒸発プロセスが中心となるため、従来の冷却ループよりも水の消費量が15〜25%多くなります。しかし研究者たちは、廃熱が冷却塔を通らずにゼオライト熱電池の「充電」に回されるため、全体で見れば水を節約できると述べています。

また、数千トンのゼオライトを往復輸送するために必要なエネルギーを考慮しても、多くのシナリオにおいてこのシステムは純粋な電力節約をもたらし、その削減率は40%を超えることもあるとNYUの研究者たちは述べています。ただし、これは現代の電動トラックの使用を前提とした数値であり、鉄道輸送を利用すればさらなる節約が可能になるかもしれません。

この提案されたシステムはまだモデリング段階にあり、多くの工学的課題が残っています。チームによれば、ゼオライト床は耐久性や迅速な熱伝達、そして繰り返しのサイクルに耐える設計にしなければなりません。さらに、データセンターと産業パートナー間の運用調整には新たなビジネスモデルも必要になるでしょう。NYUの声明によると、研究者たちは現在、このソリューションの拡大の可能性について複数の業界リーダーと話し合いを始めています。

この記事は海外Data Centre Dynamics発の記事をData Center Cafeが日本向けに抄訳したものです。