Ketenanalyse downstream van de twee meest materiele emissies Ziekenhuizen en datacenters

Transcriptie

1 Ketenanalyse downstream van de twee meest materiele emissies Ziekenhuizen en datacenters Deerns Nederland BV Rijswijk, 12 december 2013 HOMEPAGE PROJECTNUMMER STATUS DOCUMENTCODE concept C:\Users\NL0869\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet AUTEUR PROJECTLEIDER/GROEPSLEIDER J. van Dorp M. Schellekens PARAAF PARAAF Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar worden gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van de opdrachtgever. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de DNR 2011, dan wel naar de betreffende ter zake tussen partijen gesloten overeenkomst.

2 I N H O U D Hoofdstuk Blad 1. Inleiding 2 2. Ketenanalyse Ziekenhuizen Toepassing WKO Wat is warmte-en-koudeopslag? Uitgangspunten Toelichting uitgangspunt Toelichting uitgangspunt Toelichting uitgangspunt Toelichting uitgangspunt Toelichting uitgangspunt Toelichting uitgangspunten 6 en Berekeningen Aardgasgebruikreductiepotentieel bij warmteopwekking Elektriciteitgebruikreductiepotentieel Conclusie Doelstelling Ketenanalyse Datacenters Uitgangpunten Discussie optimale EUE van datacenters Analyse Technieken voor CO 2 -emissiereductie in datacenters EUE verbetering bij nieuwe en bestaande datacentra Efficiënte ventilatie Efficiënte koeling Benutting van restwarmte uit datacenters Conclusie en doelstelling Doelstelling 17

3 INLEIDING In het kader van de CO 2 prestatieladder zijn twee ketenanalyses uitgevoerd. Doel van de analyses zijn de gezondheidszorg (specifiek ziekenhuizen) en datacenters. Voor de ziekenhuizen is onderzocht hoeveel CO 2 reductie haalbaar is door toepassing van warmte- en koude opslagsystemen. Voor de datacenters is geschat hoe groot de CO 2 emissie reductie is van het ontwikkelen van datacenters met een lage PUE. De resultaten van het onderzoek naar de meest materiele emissies zijn in de tabel weergegeven. Hieruit blijkt dat gezondheidszorg en datacenters de meest materiele emissies hebben. Rangorde van alle (meest materiële) scope 3 emissies PCM's sectoren en activiteiten Omschrijving van activiteit waarbij CO 2 vrijkomt Relatief belang van CO 2 -belasting van de sector en invloed van de activiteiten Potentiële invloed van het bureau op CO 2 -uitstoot Rangorde Sector 4 Activiteiten 5 6 Score 3 Score 4 Score 5 Totaal score Data centers Installatietechniek groot groot groot Gezondheidszorg Installatietechniek middelgroot groot groot Gezondheidszorg Bouwfysische eigenschappen middelgroot middelgroot groot Luchthavens Installatietechniek middelgroot middelgroot middelgroot Luchthavens Bouwfysische eigenschappen middelgroot middelgroot middelgroot Vastgoed Installatietechniek middelgroot klein middelgroot Vastgoed Bouwfysische eigenschappen middelgroot klein middelgroot Clean technology Installatietechniek klein klein middelgroot Clean technology Bouwfysische eigenschappen klein klein middelgroot

4 KETENANALYSE ZIEKENHUIZEN TOEPASSING WKO Een van de mogelijke technieken die in staat is om tot CO 2 reductie te leiden bij een ziekenhuis is de toepassing van Warmte en Koude Opslagsystemen (WKO) in combinatie met een (omkeerbare) warmtepomp. Met een dergelijk systeem kan warmte en koude geleverd worden tegen een lager energiegebruik dan wanneer een aardgasketel en koelmachine gebruikt wordt. Eerst wordt in paragraaf 2.1 de techniek van warmte en koudeopslag beknopt toegelicht. In paragraaf 2.2 worden de uitgangspunten voor de analyse gegeven. Vervolgens de uitgangspunten voor de berekening. Daarna wordt in paragraaf 2.3 de berekening uitgevoerd, en gevolg door de conclusies en de formulering van een doelstelling in paragraaf Wat is warmte-en-koudeopslag? Warmte en koudeopslag (WKO) is een techniek waarbij warmte wordt opgeslagen of onttrokken aan de bodem. Dat kan door middel van ondergrondse watervoerende leidingen (zogenaamde gesloten systemen), of door het direct oppompen en terugpompen van grondwater (open systemen). De gesloten systemen kennen diverse uitvoeringsvormen, namelijk met horizontale leidingsystemen dicht onder het maaiveld of verticale leidingen die tot ruim 100 meter diep kunnen zijn. De open systemen kennen voorts twee varianten, namelijk monobronnen en doubletten. Een doublet is een tweetal putten waarbij water vanuit de ene put wordt opgepompt en wordt teruggepompt in de andere put nadat warmte of koude is onttrokken. Op deze manier ontstaan ondergrondse reservoirs van relatief warm en relatief koud water. Door de pomprichting te draaien kan de opgeslagen warmte of koude later (grotendeels) weer worden benut. Een monobron werkt met een enkele put waarin zowel de productie als de injectieleiding is geïntegreerd. De productie en injectie vinden dan plaats op verschillende dieptes, waardoor reservoirs ontstaan die onder elkaar liggen, in plaats van naast elkaar. Verder is de werking ongeveer hetzelfde als een doublet. Doubletten en monobronnen kunnen ook gebruikt worden als recirculatiesysteem, dus waarbij de pomprichting nooit wordt omgekeerd. Die varianten zijn goedkoper om te bouwen maar het is dan niet mogelijk om opgeslagen warmte of koude efficiënt te benutten, hoewel de overige voordelen van het gebruik van grondwater als warmte- of koude bron behouden blijven. Door de voortdurende doorstroming van het grondwater tussen de injectie en productieput worden variaties in de temperatuur van het injectiewater gemiddeld voordat het injectiewater uiteindelijk

5 in de buurt van de productieput komt. Dit zorgt dat het productiewater een relatief constante temperatuur behoud ook al varieert de Voor ziekenhuizen zijn open systemen meestal de beste keus. Deze systemen vergen namelijk maar een klein voetafdruk omdat er alleen ruimte gevonden moet worden voor het slaan van de injectie en productieputten. Gesloten systemen met hetzelfde vermogen vergen veel meer oppervlak om voldoende leidingen in de grond te kunnen leggen of persen. Bij (bestaande) ziekenhuizen is die ruimte meestal niet aanwezig. Open systemen zijn bovendien goedkoper dan gesloten systemen wanneer relatief grote koel/warmtevermogens gevraagd worden zoals al snel het geval is bij ziekenhuizen. Figuur 1 Illustratie van een open koude en warmte opslagsysteem, doubletvariant, (warmtepomp niet getoond).

6 Uitgangspunten Ten behoeve van de ketenanalyse is gebruik gemaakt van informatie in het artikel Zorgsector laat jaarlijks 115 miljoen euro liggen geschreven in 2010 door TNO Centrum Zorg en Bouw medewerkers Roberto Traversari en Stefan van Heumen. Uit dit artikel blijken de volgende relevante uitgangspunten voor de ketenanalyse: Ziekenhuizen in Nederland Uitgangspunten (2008) Bruto vloeroppervlak m² Aardgasverbruik Nm³/jaar Elektriciteitsverbruik MWh/jaar Aandeel gasgebruik voor verwarming 76% Aandeel elektriciteitsgebruik voor klimatiseren 40% Huidige penetratiegraad warmtepompen (2008) 4% Penetratiegraad warmtepompen potentieel (volgens TNO, op basis van 30% economische haalbaarheid) De term penetratiegraad zoals in de tabel gehanteerd betekent het aandeel van het aantal ziekenhuizen dat is uitgerust met deze techniek. In het vervolg van deze analyse zal (bij gebrek aan informatie hierover) worden aangenomen dat deze penetratiegraad ook gelijk is aan het aandeel van de totale warmtevraag van de ziekenhuizen dat door de betreffende techniek wordt opgewekt. Om de potentiele besparing door toepassing van WKO en warmtepompen voor ruimteverwarming en koeling te berekenen zijn de volgende aannames gehanteerd. Deze aannames zijn gebaseerd op de ervaring van Deerns met de installatietechnische voorzieningen in ziekenhuizen en zullen kort gemotiveerd worden. Ter informatie: De afkorting COP in het vervolg van deze analyse staat voor Coefficient Of Performance en is een maat voor de energie-efficiëntie van een warmte- of koudeopwekker. Een COP van 1 betekent dat 100% van de gebruikte energie (elektriciteit, aardgas, of andere energie exclusief de energie uit een eventuele natuurlijke warmte of koudebron) wordt omgezet in warmte (of koude). Een COP van 4 betekent dat er vier keer zoveel warmte (of koude) wordt opgewekt per eenheid gebruikte energie. Hoe hoger de COP, hoe hoger de efficiëntie en hoe minder het energiegebruik. De COP van een koude- of warmteopwekker wordt zowel bepaald door de technische kwaliteit van de opwekker als door thermodynamische grenzen (ten gevolge van thermodynamische hoofdwetten) die worden gesteld aan thermodynamische processen.

7 # Uitgangspunten voor berekening van besparing door toepassing van WKO en warmtepompen 1 COP van een WKO en warmtepomp systeem voor verwarming, uitgaande van 4 inpassing in een bestaand ziekenhuis 2 Gemiddelde penetratiegraad van verwarming op basis WKO en warmtepompen in 70% een bestaand ziekenhuis dat wordt uitgevoerd met WKO 3 COP van een WKO en warmtepomp systeem voor koeling, uitgaande van inpassing 8 in een bestaand ziekenhuis 4 Penetratiegraad van koeling met WKO en warmtepompen in een bestaand ziekenhuis 80% 5 Aandeel van elektriciteitsgebruik voor koeling in een ziekenhuis (klimaatbeheersing 30% totaal is 40%) 6 CO 2 intensiteit van aardgasverbranding kg/nm³ 1,7 7 CO 2 intensiteit van elektriciteitsgebruik kg/kwh 0, Toelichting uitgangspunt 1 De COP (Coëfficiënt of Performance) voor ruimteverwarming van een bestaand ziekenhuis met WKO en warmtepompen wordt bepaald door het te bereiken ontwerptemperatuurniveau van het CV (Centrale Verwarming) water systeem. In een bestaand ziekenhuis (zonder warmtepompen) wordt veelal gebruik gemaakt van CV watertemperaturen die te hoog liggen om warmtepompen zinvol in te zetten. Echter, het is in principe mogelijk om gedurende een groot deel van het jaar met een lagere CV temperatuur te werken. Hiertoe moet de regeling van het CV systeem aangepast worden. In dat geval is het afgegeven vermogen van de diverse warmteafgifteapparatuur van het CV systeem ook lager (vanwege het kleinere temperatuurverschil tussen het oppervlak van de apparatuur en de te verwarming luchtstroom of ruimte), maar de warmtevraag vanuit de ruimtes is ook lager wanneer het niet zeer koud is. Bij zeer koud winterweer moet het systeem wel met de hoge ontwerptemperaturen werken. Het een en ander zoals hierboven besproken is tot uitdrukking gebracht in de gehanteerde penetratiegraad van het WKO en warmtepompsysteem van 70%. 30% van de energie voor verwarming zal dus nog door een aardgasketel geleverd worden (gedurende zeer koud weer) Toelichting uitgangspunt 2 De penetratiegraad zoals hier bedoeld is gelijk aan het aandeel van het totale energiegebruik dat gedekt wordt. Dit aandeel is als percentage verschillend van het percentage van het totaal opgesteld vermogen. Bijvoorbeeld: het vermogen van een WKO+warmtepomp installatie voor verwarming kan 40% zijn (met de resterende 60% in de vorm van een aardgasketel), toch zal

8 op jaarbasis 70% van de energie voor verwarming geleverd kunnen worden door de WKO+warmtepomp installatie, omdat deze installatie preferent wordt toegepast. De aardgasketel zal alleen gebruikt worden bij hoge warmtevraag en dergelijke hoge vraag komt relatief weinig voor. In de praktijk is de penetratiegraad van een WKO+warmtepomp installatie met een geïnstalleerd vermogen van 40% van het totale opgestelde verwarmingsvermogen zo tussen de 70% en 85%, afhankelijk van de relatie tussen de warmtevraag van het gebouw en de buitentemperatuur. Er is voor 70% gekozen bij wijze van voorzichtige aanname Toelichting uitgangspunt 3 De COP voor koeling van een bestaand ziekenhuis met WKO en warmtepompen wordt net als voor verwarming bepaald door de benodigde GKW (GeKoeld Water) temperatuur. Dit is in bestaande ziekenhuizen meestal lager dan wat direct door een WKO systeem (zonder tussenkomt van de warmtepomp) geleverd kan worden. Een deel van de koeling zal dus door de warmtepomp geleverd worden. Dit is verdisconteerd door een penetratiegraad van slechts 80% te hanteren in combinatie met een COP voor koeling van slechts 8. 20% van de energie voor koeling wordt (bij zeer warm weer) volledig door koelmachines en/of door de omgekeerde warmtepomp geleverd. 80% van de koeling wordt door de WKO in combinatie met een bescheiden bijdrage van de warmtepompen geleverd. Gedurende dagen met niet te hoge buitentemperaturen kan de WKO installatie zelfstandig koeling leveren, dus zonder tussenkomst van de warmtepomp Toelichting uitgangspunt 4 In navolging van wat besproken is onder punt 2) geldt een analoge beschouwing ten aanzien van de penetratiegraad van een WKO+warmtepomp installatie inzetbaar voor koeling. De penetratiegraad is iets hoger aangenomen, namelijk op 80%, omdat het maximale koelvermogen van een WKO+warmtepomp installatie groter is dan het verwarmingsvermogen. Dat is omdat bij koeling zowel de WKO opslag (direct) als de warmtepomp (in zomerbedrijf) inzetbaar zijn voor koudelevering, terwijl bij verwarming met zo n installatie alle warmte door de warmtepomp warmte moet worden geleverd omdat de warmte in het WKO systeem te koud is om direct in te zetten. Afhankelijk van de verhouding tussen warmtevraag en koudevraag van het gebouw welke een tamelijk complexe functie is van de gebouwvorm, het gebouwgebruik, het installatieprincipe en de bouwkundige eigenschappen - zal de penetratiegraad van warmte versus koudevoorziening per gebouw verschillen. De in deze analyse gehanteerde 80% wordt gehanteerd als een voor deze analyse bruikbare aanname voor een gemiddeld ziekenhuis.

9 Toelichting uitgangspunt 5 Elektriciteit voor klimaatbeheersing wordt gebruikt voor het verpompen van gekoeld en verwarmd water, voor het aandrijven van ventilatoren en voor het aandrijven van koelmachines. Afhankelijk van de specifieke installatietechniek zal het grootste deel van de elektriciteit voor klimaatbeheersing door de koelmachines worden gebruikt. Dit verschilt per gebouw en is afhankelijk van diverse factoren ook genoemd onder punt 4). Er is voor deze analyse (conservatief) uitgegaan van een aandeel van 75% voor de koelmachines, oftewel: de waterpompen en ventilatoren verbruiken de overige 25% van de elektriciteit voor klimaatbeheersing. 75% van 40% is 30% Toelichting uitgangspunten 6 en 7 Deze getallen voor de co2 emissiefactoren voor aardgasverbranding en elektriciteitgebruik zijn standaard getallen en gebaseerd op de Nederlandse mix voor elektriciteitopwekking Berekeningen De berekening wordt uitgevoerd door op basis van de uitgangspunten te berekenen wat de reductie van elektriciteitsgebruik en aardgasverbruik wordt in de nieuwe situatie, dus wanneer 30% van de ziekenhuizen zijn uitgevoerd met een WKO en warmtepompensysteem Aardgasgebruikreductiepotentieel bij warmteopwekking De primaire energie-efficiëntie van warmteopwekking met aardgasketels in de bestaande situatie is 85%. Dit betekent dat van de warmte opgewekt door verbranding van aardgas 85% te goede komt aan de verwarming van ruimtes in het gebouw. De overige 15% gaat verloren door verliezen via de rookgassen en/of condensafvoer, en door verliezen in de distributie. Er is gekozen voor 85% omdat onbekend is wat het gewogen gemiddelde systeemrendement voor verwarming is van de beschouwde ziekenhuizen in Nederland. Ten overvloede: een ziekenhuis met HR-ketels kan een primair systeemrendement voor warmtevoorziening hebben van meer dan 90%, terwijl een ziekenhuis met VR ketels of gewone ketels 80% of (veel)minder rendement heeft. 85% is gekozen als bruikbare waarde voor deze analyse. De primaire energie efficiëntie voor verwarming van een WKO en warmtepompsysteem in de nieuwe situatie is 137,5%, uitgaande van 70% penetratiegraad WKO en warmtepompen (COP = 4) en 30% aandeel aardgasketels (COP = 0,85). Ten opzichte van de bestaande situatie met alleen aardgasketels (COP=0,85) betekent de nieuwe situatie (COP=1,375) een energiegebruikreductie van 38%.

10 Nota Bene: Bij de berekening van de primaire energie efficiëntie moet de COP van de warmtepomp worden vermenigvuldigd met de primaire energie efficiëntie van elektriciteitopwekking in Nederland. Hiervoor is de waarde 40% gehanteerd. Aldus is de berekening (4 * 70% * 40%) + (0,85 * 30%) = 1,375. Het energiegebruik voor verwarming is 76% van het totale aardgasgebruik in ziekenhuizen. Het aantal ziekenhuizen waar warmtepompen economisch kunnen worden toegepast stijgt van 4% naar 30%, dus 26% meer van de verwarming wordt in de nieuwe situatie voorzien door een WKO en warmtepomp systeem (met aardgas piekketel). Deze verwarming wordt met 38% minder energiegebruik opgewekt. De totale besparing op aardgasgebruik over alle ziekenhuizen, in geval 26% van de ziekenhuizen worden uitgevoerd met WKO en warmtepompsystemen is in dat geval 76% * 26% * 38% = 7,5%. De bestaande CO 2 uitstoot ten gevolge van aardgasverbranding in ziekenhuizen is, op basis van de uitgangspunten, 404 kton per jaar. 7,5% hiervan is 30,5 kton per jaar. De CO 2 besparing door toepassing van WKO en warmtepompen in 26% van de ziekenhuizen is dus 30,5 kton CO 2 per jaar. Indien alle ziekenhuizen zouden worden voorzien van WKO en warmtepompen, dan zou een CO 2 reductie van 117 kton per jaar gerealiseerd kunnen worden. Ter illustratie: 117 kton CO 2 komt overeen met de hoeveelheid CO 2 die vrijkomt bij de verbranding van ongeveer 70 miljoen kubieke meter aardgas Elektriciteitgebruikreductiepotentieel 30% van het elektriciteitsgebruik in ziekenhuizen is voor ruimtekoeling. 26% van de ziekenhuizen kunnen (economisch) worden uitgevoerd met WKO en warmtepompsystemen. De elektrische energie efficiëntie van koudeopwekking met koelmachines in de bestaande situatie is 300% (COP = 3). Deze waarde is typisch voor bestaande koudeopwekkingsinstallaties werkend op basis van luchtgekoelde koelmachines. In de praktijk kan deze waarde variëren van 3,5 voor goed onderhouden installaties met natte koeltorens, tot minder dan 3 voor inefficiente installaties met droge koelers. Voor deze analyse is aangenomen dat de waarde 3 bruikbaar is voor de bedoeling van de analyse bij gebrek aan informatie over de werkelijke gewogen gemiddelde COP van koelinstallatie in bestaande Nederlandse ziekenhuizen. De elektrische energie efficiëntie voor koeling van een WKO en warmtepompsysteem in de nieuwe situatie is 700% (COP=7), uitgaande van 80% aandeel WKO en warmtepompen in zomerbedrijf (COP = 8) en 20% aandeel koelmachines/warmtepompen zomerbedrijf (COP = 3).

11 Ten opzichte van de bestaande situatie met alleen koelmachines (COP=3) betekent de nieuwe situatie (COP=7) een energiegebruiksreductie van 57%. Nota Bene: In tegenstelling tot hetgeen besproken is onder de kop Aardgasreductiepotentieel hoeven de COP s in dit geval niet te worden gecorrigeerd om de primaire energie-efficiënte van elektriciteitopwekking te verrekenen, omdat voor koeling in dit geval altijd elektriciteit gebruikt wordt. Oftewel, de berekende reductie van primaire energiegebruik als percentage veranderd niet door de (beide!) COP s te vermenigvuldigen met het primaire opwekkingrendement van de Nederlandse elektriciteitmix. Vandaar dat dat ook niet is gedaan. Het energiegebruik voor koeling is 30% van het totale elektriciteitgebruik in ziekenhuizen. Het aantal ziekenhuizen waar warmtepompen economisch kunnen worden toegepast stijgt van 4% naar 30%, dus 26% meer van de koeling wordt in de nieuwe situatie voorzien door een WKO en warmtepomp systeem in zomerbedrijf (met koelmachines voor pieklast). Deze koeling wordt met 57% minder energiegebruik opgewekt. De totale besparing op elektriciteit over alle ziekenhuizen, in geval 26% van de ziekenhuizen worden uitgevoerd met WKO en warmtepompsystemen, is in dan geval 30% * 26% * 57% = 4,5%. De bestaande CO 2 uitstoot ten gevolge van elektriciteitsgebruik in ziekenhuizen is, op basis van de uitgangspunten, 445 kton per jaar. 4,5% hiervan is 19,8 kton per jaar. De potentiele CO 2 besparing door toepassing van WKO en warmtepompen in 26% van de ziekenhuizen is dus 19,8 kton CO 2 per jaar. Indien alle ziekenhuizen zouden worden voorzien van WKO en warmtepompen, dan zou een CO 2 reductie van 76 kton per jaar gerealiseerd kunnen worden Conclusie Het toepassen van WKO en warmtepompen in 26% van de ziekenhuizen is (volgens TNO) economisch haalbaar. Hiermee kan koude en warmte worden opgewekt met een hogere energie efficiëntie in vergelijking met aardgasketels en koelmachines. De potentiele CO 2 reductie is 7,5% en 4,5% respectievelijk, voor aardgas en elektriciteit. Dit vertaalt zich in een CO 2 reductie potentieel van 30,5 kton en 19,8 kton respectievelijk, in totaal zo n 50 kton CO 2 per jaar. Indien alle ziekenhuizen met deze technologie worden uitgevoerd (wat volgens TNO economisch niet zonder meer haalbaar is) dan zou een totale CO 2 reductie van 193,5 kton per jaar gerealiseerd kunnen worden. De totale CO 2 uitstoot in Nederland is ongeveer 200 mton CO 2 equivalenten per jaar. Het uitvoeren van alle ziekenhuizen in Nederland met WKO en warmtepompen zou dus voor een CO 2 reductie in Nederland van ongeveer 0,1% kunnen leiden. Indien slecht 26% van de ziekenhui-

12 zen hiermee wordt uitgevoerd is een nationale CO 2 (equivalente) emissiereductie van 0,026% haalbaar Doelstelling Uitgaande van een economische levensduur van installaties voor warmteopwekking bij ziekenhuizen van minimaal 15 jaar zou gedurende de komende 15 jaren de volledige economisch haalbare omschakeling naar WKO en warmtepompen kunnen worden geïmplementeerd in alle geschikte ziekenhuizen. In dat geval is de gemiddelde CO 2 besparing door toepassing van deze techniek 50/15=3,3 kton CO 2 per jaar. Deerns heeft gemiddeld per jaar drie nieuwe of bestaande ziekenhuizen onder handen waarvoor de klimaatinstallaties dienen te worden gerenoveerd of nieuw ontworpen. In vrijwel alle gevallen adviseert Deerns de toepassing van WKO. Er zijn zo n 90 grote en kleine ziekenhuizen in Nederland. Indien 26% hiervan geschikt is voor de economisch haalbare toepassing van WKO dan blijkt dat Deerns 3/(90*26%) = 13% van de ziekenhuizen waar WKO economische haalbaar is kan adviseren per jaar. In dat geval wordt jaarlijks gemiddeld een CO 2 emissiereductie van 13%*50 =6,5 kton CO 2 bereikt.

13 KETENANALYSE DATACENTERS In het kader van de CO 2 prestatieladder is een ketenanalyse uitgevoerd met betrekking tot CO 2 emissiereductie in datacenters. In deze ketenanalyse worden het CO 2 reductiepotentieel voor datacenters in Nederland geanalyseerd vanuit het perspectief van Deerns als ingenieursbureau, en wordt beschreven met welke technieken Deerns zorgt voor de realisatie van het aanwezige CO 2 emissiereductie potentieel. Deerns levert internationaal installatietechnisch advies voor bestaande en nieuwe datacenters, met betrekking tot de koeling, ventilatietechniek en energievoorziening. Omdat datacenters energie-intensief zijn, zijn er wegens de schaalgrootte vaak economisch interessante mogelijkheden om energie-efficiënte technieken in te zetten, wanneer die nog niet zijn ingezet. Deerns heeft veel ervaring met het adviseren van deze technieken en zal hiermee ook in de toekomst zorgen voor energiebesparing bij bestaande en nieuwe Datacenters Uitgangpunten De situatie in Nederland met betrekking tot de energiehuishouding van datacenters is in kaart gebracht en weergegeven in het CE Delft rapport: Vergroenen datacenters Daarin wordt onder andere geprojecteerd dat het energiegebruik van datacenters in 2015 vermoedelijk zal uitkomen rondom 2,1 TWh aan jaarlijks elektriciteitsverbruik, op een totaal IT vloeroppervlak van naar schatting bijna m². De EUE (Energy Usage Effectiveness: the jaarlijks totale energiegebruik gedeeld door het energiegebruik door ICT) was in 2012 gemiddeld 1,60 en verbeterd in de projectie van CE Delft tot ongeveer 1,45 in De CO 2 uitstoot van datacenters in 2015 zal dan rond de 930 kton CO 2 per jaar uitkomen. Op basis van deze uitgangspunten zal na een korte discussie over de optimale EUE van datacenters berekend worden hoe groot de te behalen CO 2 emissiereductie van Nederlandse datacenters ongeveer is Discussie optimale EUE van datacenters De optimale EUE van datacenters wordt bereikt wanneer energie-efficiënte componenten worden toegepast. In Nederland is de optimale EUE ongeveer 1,10 a 1,15. Het overgebleven niet-it gerelateerde energieverbruik bestaat dan nog vooral uit het energiegebruik in trafo s, UPS, verlichting en overige randapparatuur, welke niet verder gereduceerd kan worden. Een EUE van 1,15 wordt door Deerns op dit moment beschouwd als uitmuntende prestatie in Nederland. Hoe dichter men komt richting de theoretisch laagst mogelijke EUE van 1, hoe moeilijker (lees: duurder) het wordt om verder te gaan. Uiteindelijk is het budget en de ambitie van de opdrachtgever de bepalende factor van hoe laag de EUE kan worden.

14 Een lage EUE van 1,15 wordt bereikt door Google in hun nieuwe datacenter waar Deerns bij betrokken is als adviseur. Dit datacenter heeft een ontwerp EUE van ongeveer 1,15. Het Google datacenter bereikt deze hoge prestatie mede omdat Google volledige controle heeft over de uitvoering van de ICT in het datacenter, waardoor bijvoorbeeld een hogere luchtinblaastemperatuur kan worden toegepast. Bij datacenters met meerdere huurders zijn er doorgaans garantievoorwaarden die eisen stellen aan onder andere de luchtinblaastemperatuur, waardoor deze niet zonder herziening van de contracten kan worden doorgevoerd. Verder worden ook andere efficiëntie-verhogende maatregelen mogelijk, bijvoorbeeld door het op het moederbord van de servers installeren van accu s zodat er minder of geen UPS meer nodig is. Met betrekking tot de toekomst voorziet Deerns een toenemende efficiëntie van datacenters, oftewel een verdere verlaging van de EUE richting de 1,1, door toepassing diverse bestpractices en efficiëntie-verhogende technieken en systeemkeuzes Analyse De als gevolg van Deerns adviespraktijk optredende CO 2 besparing van datacenters in Nederland kan ingeschat worden op basis van het verschil tussen de door CE Delft verwachtte EUE in 2015 en de EUE die Deerns nu al realiseert in datacenter nieuwbouw- en renovatieprojecten. Aangezien het bereiken van een hele goede EUE (<= 1,15 in Nederland) mede afhankelijk is van de ambitie en investeringsbereidheid van de opdrachtgever kan Deerns niet zonder meer zorgen dat dergelijke goede EUE ook daadwerkelijk behaald worden. Echter, uitgaande van een situatie waarbij opdrachtgevers allen de nodige hoge ambities hebben dan zou binnen 15 jaar (de uiterste levensduur van de meeste datacenters) het volledige datacenterpark van Nederland op een EUE van 1,15 gebracht kunnen worden. Uitgaande van een huidige gemiddelde EUE van 1,60 zou dat gaan om een verbetering van de gemiddelde EUE van Nederlandse datacentra van (1,60-1,15)/15 = 0,03 per jaar. Uitgaande van een huidige EUE van 1,60 is een verbetering van 0,03 per jaar gelijk aan een reductie van 1,9% per jaar. Indien wordt uitgegaan van een toekomstig datacenterpark ter grootte van de inschatting van CE Delft voor 2015, en met de door CE Delft berekende navenante CO 2 emissie van 930 kton per jaar, dan betekent dit een gemiddelde energiebesparing van 1,9% per jaar dus een reductie van CO 2 emissies van ongeveer 930*1,9% = 17 kton CO 2 per jaar, uitgaande van een gelijkblijvende CO 2 intensiteit van de Nederlandse elektriciteitsvoorziening in de toekomst. Per m² datacentervloeroppervlak gaat het dan om een besparing van ongeveer 50 kg CO 2 per m² per jaar.

15 In Nederland zijn een aantal verschillende ingenieursbureaus actief op het gebied van installatietechnische adviesdienstverlening ten behoeve van de realisatie van nieuwbouw en renovaties van datacenters. Deerns is betrokken bij gemiddeld m² aan datacentervloeroppervlak per jaar en zal als adviseur dus gemiddeld * 0,05 ton CO 2 per m² per jaar = 500 ton CO 2 per jaar aan besparingen helpen realiseren Technieken voor CO 2 -emissiereductie in datacenters Met betrekking tot het reduceren van de CO 2 emissie van datacenters zijn er drie groepen maatregelen te onderscheiden. 1. De eerste groep maatregelen richt zich op het reduceren van het energiegebruik (verbeterde EUE) door toepassing van zuinige technieken en systemen voor (met name) datacenterkoeling en energievoorziening. 2. De tweede groep maatregelen betreft het benutten van de restwarmte van een datacenter voor een ander doel, waardoor voor dat doel geen of minder CO 2 intensieve energie nodig is. 3. De derde groep maatregelen betreft het voorzien van energie met lage CO 2 intensiteit, waaronder energie uit wind, zon, biomassa, waterkracht of kernsplitsing. De derde groep maatregelen heeft betrekking op een werkveld dat zich veelal buiten de scope van een datacenterproject bevind, aangezien datacenters vaak niet geschikt zijn voor lokale opwekking van voldoende duurzame energie. Het energiegebruik van een datacentrum is zo hoog dat het (bijvoorbeeld) bedekken van het dak van een datacentrum met PV panelen niet meer dan een paar procent van de energievraag kan dekken. Het toepassen van PV panelen op de daken van datacenters is echter wel voor de hand liggend, omdat wegens de grote elektriciteitaansluiting van datacenters het relatief eenvoudig is om een hoog geinstalleerd vermogen aan PV panelen te installeren zonder dat uitbreiding van het aansluitvermogen nodig is. Evenwel vereist het voorzien van een datacentrum met energie met lage CO 2 intensiteit praktisch de inkoop van dergelijke energie en is als zodanig niet door Deerns technisch advies beïnvloedbaar, hoewel Deerns het inkopen van energie met lage CO 2 intensiteit altijd aanbeveelt vanuit milieuoogpunt. De eerste twee groepen maatregelen zullen in het volgende kort besproken worden, met de realisatie van de genoemde reductiedoelstellingen.

16 EUE verbetering bij nieuwe en bestaande datacentra Met betrekking tot het realiseren van een lage EUE vormt de koeling van een datacentrum een belangrijk thema. Datacentra worden standaard gekoeld met lucht die met behulp van ventilatoren door de servers gevoerd wordt. De warme afvoerlucht wordt vervolgens afgekoeld en hergebruikt. Door te zorgen voor een lage luchtweerstand en een energie-efficiënte koeling van deze lucht wordt een lage EUE bereikt. Efficiënte ventilatie en koeling zal apart behandeld worden Efficiënte ventilatie Door ten eerste te zorgen voor lage luchtsnelheden in de kanalen, roosters, filters en warmtewisselaars wordt een lage luchtweerstand gerealiseerd en daardoor een laag opgenomen vermogen van de (efficiënte) ventilatoren. Echter, het realiseren van dergelijke lage luchtsnelheden vergt een groot doorstroomd oppervlak en dus een (fysiek) grote ventilatie installatie. In datacenterprojecten (zowel nieuwbouw als renovatie) zijn echter praktische grenzen aan hoe groot deze onderdelen mogen zijn. Door de beschikbare ruimte voor ventilatie installaties optimaal te benutten wordt een zo laag mogelijk drukval en dus een zo hoog mogelijke efficiëntie van de ventilatie bereikt. Met name de lucht-luchtwarmtewisselaars en koelbatterijen vormen locaties waar relatief hoge luchtweerstanden optreden, en door deze onderdelen zo groot mogelijk te ontwerpen wordt de totale luchtweerstand het meeste beperkt. Een aanvullende reductie van het opgenomen ventilatievermogen is het direct met buitenlucht ventileren van datacenters. In dat geval is er geen lucht-lucht warmtewisselaar nodig en vervalt dus de luchtweerstand van dat onderdeel. Echter, de veelal hoge eisen die worden gesteld aan de luchtconditie (vochtigheid) en luchtkwaliteit (stof) in een datacentrum maken het direct ventileren met buitenlucht niet altijd mogelijk. Echter, op locaties met een lage stofconcentratie in de lucht en een geschikte luchtvochtigheid is direct ventileren met buitenlucht een bewezen optie. Naast de resulterende reductie in benodigd ventilatorvermogen is ook de mogelijkheid om vrije koeling met buitenlucht te benutten voordelig voor de EUE. Echter, de eisen die door huurders van datacenters worden gesteld maken het in landen met relatief hoge (fijn)stofconcentraties als Nederland niet altijd mogelijk om af te wijken van het principe van strikte scheiding van buitenlucht en binnenlucht. Indien mogelijk kan het ventilatorvermogen worden verlaagd door toepassing van lagere lucht inblaastemperaturen en/of hogere retourtemperaturen. Dat is afhankelijk van de eisen gesteld aan de ventilatieluchtcondities en de ruimte die daarin wordt geboden aan afwijkende luchttemperaturen. Met name in combinatie met ventileren met buitenlucht, of wanneer andere voorzie-

17 ningen voor benutting van vrije koeling aanwezig zijn, kan reductie van het luchtdebiet in combinatie met een groter temperatuurverschil tussen toe- en afvoer ventilatorenergie besparen. Ten slotte kan een goede afstemming van de ventilatiehoeveelheid op de optredende koelvraag van de ICT apparatuur leiden tot een reductie op jaarbasis van de ventilator energie. Wanneer de koelvraag lager is dan de ontwerpvraag dan kan energie bespaard worden door de ventilatoren naar rato terug te toeren (door gebruik van VFD Variable Frequency Drives). Hierdoor kunnen met name besparingen gerealiseerd worden wanneer het datacenter nog niet volledig is gevuld met ICT apparatuur en in deellast draait Efficiënte koeling Koeling van datacenters wordt conventioneel voorzien met koelmachines op buitenlucht. Aangezien dergelijke koelmachines gemiddeld op een COP (Coëfficiënt Of Performance) van 3 à 4 werken zal het volledig koelen van een datacentrum met dergelijke machines zorgen voor een partiële-eue van ongeveer 0,25 à 0,33. Het behalen van een EUE van 1,10 is met dergelijke koelmachines dus niet zonder meer haalbaar. Datacenters met een dergelijke koelvoorziening hebben daarom een EUE van minimaal 1,4 à 1,6. In plaats van koelmachines kunnen in het geval van datacenters een aantal andere koudebronnen worden gebruikt, waaronder oppervlaktewater, grondwater en waterverdamping in buitenlucht. Dergelijk koelwater is nagenoeg het hele jaar beschikbaar en dergelijke bronnen worden daarom nu al ingezet in Deerns projecten, wanneer haalbaar. Koelen met grondwater of bodemwarmte maakt veel hogere COPs haalbaar dan wanneer er mechanisch gekoeld wordt. COPs van 10 à 20 kunnen behaald worden. Hierdoor kan de partiele EUE voor koeling gereduceerd worden tot 0,05. Het verbeteren van de COP voor koeling vormt een van de belangrijkste manieren om lage EUEs te realiseren. Het direct koelen met buitenlucht werd al genoemd onder de paragraaf efficiënte ventilatie. Bij direct koelen met buitenlucht geldt theoretisch een partiële PUE voor koudeopwekking van 0,00 indien dit volledig passief kan gebeuren. Direct koelen met buitenlucht is echter alleen mogelijk wanneer het buiten koud genoeg is, hoewel door toevoeging indirecte adiabatische koeling ook wel verdampingskoeling genoemd - in principe gedurende het hele jaar gewerkt kan worden met directe koeling met buitenlucht Benutting van restwarmte uit datacenters Aangezien ook bij een volledige passieve koeling en ventilatie (hetgeen in principe mogelijk is) van een datacenter zal de EUE nog altijd minimaal 1,05 à 1,10 zijn (in Nederland). Naast het

18 zoveel mogelijk reduceren van de EUE is het dus goed om te kijken naar benutting van restwarmte. De warmte van een datacenter komt in principe continu vrij en is daardoor een betrouwbare bron van warmte. De lage temperatuur van deze warmte maakt het echter moeilijk om de warmte direct te gebruiken voor bijvoorbeeld ruimteverwarming. In datacenterprojecten van Deerns wordt deze warmte al wel gebruikt voor ruimteverwarming van de niet-it ruimtes in een datacentrum (bijvoorbeeld de eventueel aanwezige kantoorruimtes). Deerns houdt zich bij elk datacenterproject bezig met de vraag hoe de restwarmte benut kant worden. Datacenters worden in de regel op specifieke locatie gebouwd, nabij een internet knooppunt of nabij het bedrijf of de instelling waar het datacenter voor is. Het is dus vooralsnog niet mogelijk om datacenters daar te plaatsen waar een geschikte warmtevraag aanwezig is. Een interessante ontwikkeling waar Deerns ook bij betrokken is, is het zorgen dat de restwarmte op een hogere temperatuur beschikbaar is, zodat er meer toepassingen voor de vinden zijn (zonder dat er een aanvullende warmtepomp tussen gezet hoeft te worden). Aangezien de warmte in een datacentrum voor het grootste deel wordt geproduceerd door computerchips die werken op een temperatuur van rond de 60 C is het in theorie mogelijk om deze warmte ook op deze hoge temperatuur te winnen. Echter, er moet dan een compleet andere wijze van koeling toegepast worden. Te denken valt aan directe koeling van de computerchips door middel van individuele chipkoelers die werken op hoge temperatuur. Dat zou met waterkoeling kunnen, dus door alle chips aan te sluiten op een koelwaternet met een retour temperatuur van om en nabij de 60 C. Er zijn ook nog andere oplossingen denkbaar, waaraan ook door Deerns gewerkt wordt in samenwerking met universiteiten en Deerns klanten Conclusie en doelstelling Deerns zal doorgaan met het adviseren van technisch en economisch haalbare efficiënte technische installaties voor datacenters. In elk van Deerns datacenterprojecten wordt gestreefd naar een zo hoog mogelijk efficiëntie, afhankelijk van de eisen en randvoorwaarden gesteld door de klant. Ook zal Deerns nadrukkelijk bezig blijven met het aanbieden van adviesdiensten op het gebied van optimalisering van bestaande datacenters, door het verbeteren van de regeltechniek wanneer mogelijk. Bij bestaande datacenters zijn daarnaast vrijwel altijd een of meer efficiëntie verhogende aanpassingen aan de systemen mogelijk, bijvoorbeeld het aanpassen van pompsystemen om te werken met debietregeling Doelstelling Een kwantitatieve doelstelling is voor deze marktsector moeilijk te definiëren omdat de realisatie van steeds efficiëntere datacenters bestaat uit het toepassen van een groot aantal individuele

19 technische oplossingen in een samenhangend verband in lijn met de eisen gesteld door de opdrachtgever ten aanzien van budget en prestaties. Toch wordt een kwantificeerbare doelstelling geformuleerd. Deerns zal er naar streven om: - Een EUE van < 1,2 te realiseren bij alle datacenters (renovatie en nieuwbouw, wereldwijd) waar Deerns het installatieadvies voor mag verzorgen - Alle cliënten te stimuleren om co2 vrije energie in te kopen wanneer mogelijk, of anders ter compensatie duurzame energie certificaten in te kopen. De doelstelling is om alle cliënten te overtuigen om dit te doen. - Alle cliënten te stimuleren om duurzame PV installaties op de daken van de datacenter te plaatsen. ( Duurzame PV installaties zijn PV installaties met een opbrengst/verbruik factor van 10 of beter. Oftewel: de PV installatie levert over de levensduur minstens tien keer zoveel energie als nodig voor de productie en het onderhoud van de installatie) Van alle datacenterprojecten die Deerns uitvoert worden gegevens verzameld en gepubliceerd op basis waarvan het bereiken van deze doelstellingen kan worden bijgehouden.