بازیابی حرارت از استخراج ارزهای دیجیتال با فناوری خنک‌کنندگی مایع: تحلیل و بینش‌ها

1. مقدمه

استخراج بیت‌کوین فرآیندی پرمصرف انرژی است، به‌طوری که شبکه جهانی آن سالانه حدود ۱۵۰ تراوات‌ساعت برق مصرف می‌کند که از مصرف برق کل کشورهایی مانند آرژانتین فراتر می‌رود. به‌طور سنتی، انرژی حرارتی قابل توجه تولیدشده توسط مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) استخراج، به‌صورت هدررفته و از طریق خنک‌کنندگی هوایی در محیط پخش می‌شود. این مقاله یک تغییر پارادایم ارائه می‌دهد: یک سیستم پیشرفته بازیابی حرارت با استفاده از خنک‌کنندگی مستقیم اسپری مایع. این سیستم، حرارت هدررفته را در درجه قابل استفاده (تا ۷۰ درجه سانتی‌گراد) جذب می‌کند و عملیات استخراج را از مصرف‌کنندگان صرف انرژی به تأمین‌کنندگان بالقوه انرژی حرارتی برای گرمایش ساختمان، شبکه‌های محلی یا فرآیندهای صنعتی تبدیل می‌کند.

2. طراحی سیستم و روش‌شناسی

نوآوری اصلی، یک سیستم خنک‌کنندگی مایع حلقه‌بسته است که برای دستگاه‌های استخراج ارز دیجیتال طراحی شده است.

2.1 مکانیزم خنک‌کنندگی اسپری مایع

دستگاه‌های استخراج در یک محفظه مهر و موم شده قرار می‌گیرند و با پاشش مستقیم یک مایع خنک‌کننده دی‌الکتریک بر روی تراشه‌های داغ، خنک می‌شوند. این روش در مقایسه با خنک‌کنندگی هوایی یا حتی غوطه‌وری، ضرایب انتقال حرارت برتری ارائه می‌دهد و به مایع خنک‌کننده اجازه می‌دهد تا حرارت را به‌طور کارآمد جذب کند و در عین حال دمای تراشه‌ها را در محدوده عملیاتی ایمن (کمتر از ۸۵ درجه سانتی‌گراد) نگه دارد. آزمایش میدانی به حداکثر دمای مایع خنک‌کننده ۷۰ درجه سانتی‌گراد دست یافت.

2.2 مبدل حرارتی و مخزن آب گرم

مایع خنک‌کننده دی‌الکتریک گرم‌شده از طریق یک مبدل حرارتی مارپیچی که در یک مخزن آب گرم عایق‌بندی‌شده ۱۹۰ لیتری غوطه‌ور است، گردش می‌کند. انرژی حرارتی به آب منتقل می‌شود که سپس می‌تواند مستقیماً استفاده شود یا به‌عنوان منبعی برای پمپ حرارتی مورد استفاده قرار گیرد. این طراحی الزام حداقل دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد برای مدیریت خطر لژیونلا مطابق با استاندارد ANSI/ASHRAE 188-2018 را برآورده می‌کند.

3. تحلیل فنی و معیارها

3.1 انرژی در مقابل اگزرژی: بازتعریف PUE

مهم‌ترین مشارکت نظری این مقاله، بازتعریف معیار اثربخشی مصرف برق (PUE) است. PUE سنتی (مبتنی بر انرژی) تنها مقدار انرژی را در نظر می‌گیرد. نویسندگان یک PUE مبتنی بر اگزرژی پیشنهاد می‌دهند که کیفیت یا پتانسیل کار مفید جریان‌های انرژی را ارزیابی می‌کند.

• PUE مبتنی بر انرژی: ۱.۰۳ (کل انرژی تأسیسات / انرژی تجهیزات فناوری اطلاعات). مقداری کمی بالاتر از ۱ نشان‌دهنده سربار جزئی است.
• PUE مبتنی بر اگزرژی: ۰.۹۵ (اگزرژی خروجی حرارت مفید / اگزرژی ورودی به تجهیزات فناوری اطلاعات). مقداری کمتر از ۱ نشان می‌دهد که خروجی اگزرژی مفید (حرارت درجه بالا) کمی کمتر از اگزرژی الکتریکی ورودی است، اما ارزش حرارت بازیابی‌شده را به‌طور معتبری محاسبه می‌کند.

این تغییر حیاتی است. ارزیابی را از «چه مقدار حرارت هدررفته تولید می‌شود» به «چه مقدار حرارت باارزش بازیابی می‌شود» منتقل می‌کند و ارزیابی‌های اقتصادی و زیست‌محیطی را همسو می‌سازد.

3.2 فرمول‌بندی ریاضی

اگزرژی یک جریان حرارتی در دمای $T$ (بر حسب کلوین) با مرجع دمای محیط $T_0$ توسط عامل کارنو داده می‌شود: $$\text{Exergy}_{\text{thermal}} = Q \cdot \left(1 - \frac{T_0}{T}\right)$$ که در آن $Q$ نرخ انتقال حرارت است. سپس PUE مبتنی بر اگزرژی ($PUE_{ex}$) به این صورت است: $$PUE_{ex} = \frac{\text{Exergy}_{\text{input, electrical}} + \text{Exergy}_{\text{input, other}}}{\text{Exergy}_{\text{IT equipment}} + \text{Exergy}_{\text{useful heat output}}}$$ برای توان الکتریکی، اگزرژی تقریباً برابر با انرژی است. مقدار گزارش‌شده $PUE_{ex}$ برابر با ۰.۹۵، اثربخشی سیستم را در ارتقای حرارت هدررفته به‌صورت کمی اثبات می‌کند.

4. نتایج آزمایشی و عملکرد

سیستم نمونه اولیه با موفقیت عملکرد پایدار را نشان داد. خنک‌کنندگی اسپری مایع، دمای اتصال ASIC را در محدوده ایمن نگه داشت و در عین حال به دمای هدف خروجی مایع خنک‌کننده ۷۰ درجه سانتی‌گراد دست یافت. این دما از این جهت مهم است که:

1. از آستانه ۶۰ درجه سانتی‌گراد برای ایمنی آب گرم خانگی فراتر می‌رود.
2. دمایی به اندازه کافی بالا فراهم می‌کند تا به‌عنوان منبعی قابل قبول برای شبکه‌های گرمایش منطقه‌ای یا برای راه‌اندازی کارآمد یک پمپ حرارتی تقویت‌کننده عمل کند و ضریب عملکرد (COP) را افزایش دهد.

توضیح نمودار (ضمنی): یک نمودار خطی افزایش پیوسته دمای مایع خنک‌کننده از دمای محیط (~۲۰°C) تا یک سطح ثابت در ۷۰°C را با رسیدن بار استخراج به ۱۰۰٪ نشان می‌دهد. یک خط دوم دمای ASIC را نشان می‌دهد که به خوبی زیر ۸۵°C تثبیت می‌شود و خنک‌کنندگی مؤثر را نشان می‌دهد. نمودار بر توانایی سیستم در استخراج حرارت درجه بالا بدون کاهش عملکرد حرارتی تأکید می‌کند.

5. تحلیل مقایسه‌ای و مطالعات موردی

مقاله خنک‌کنندگی مایع را با روش‌های رایج مقایسه می‌کند:

• خنک‌کنندگی هوایی: مطالعه مورد استناد [3] نشان می‌دهد که تنها ۵.۵ تا ۳۰.۵ درصد حرارت قابل بازیابی از یک مزرعه ۱ مگاواتی به دلیل جرم حرارتی کم و دمای پایین هوا وجود دارد. تا ۹۴.۵ درصد از انرژی حرارتی هدر می‌رود.
• خنک‌کنندگی غوطه‌وری مایع: انتقال حرارت بهتری نسبت به هوا ارائه می‌دهد اما ممکن است برای یک حد دمای تراشه مشخص، به دمای مایع خنک‌کننده بالایی مانند اسپری مستقیم دست نیابد.
• مطالعه موردی - گنبد بلاک‌چین [5,6]: هر گنبد ۱.۵ مگاواتی، ۵,۰۰۰,۰۰۰ BTU/h هوای گرم برای گلخانه‌ها تولید می‌کند که کاربرد مستقیم، هرچند با درجه پایین‌تر، از حرارت استخراج را نشان می‌دهد.

سیستم اسپری مایع ارائه‌شده، خود را به‌عنوان یک راه‌حل برتر برای حداکثرسازی هم مقدار و هم کیفیت (اگزرژی) حرارت بازیابی‌شده معرفی می‌کند.

6. چارچوب تحلیلی: بینش اصلی و نقد

بینش اصلی: این تحقیق صرفاً درباره خنک‌کردن بهتر دستگاه‌های استخراج نیست؛ بلکه یک بازبرندسازی اساسی از نقش استخراج ارزهای دیجیتال در اکوسیستم انرژی است. با بهره‌گیری از خنک‌کنندگی کارآمد اسپری مایع و ترویج تحلیل اگزرژی، نویسندگان با موفقیت دستگاه‌های استخراج را از «خوک‌های انرژی» به «نیروگاه‌های حرارتی توزیع‌شده و قابل اعزام» بازتعریف می‌کنند. خروجی ۷۰ درجه سانتی‌گراد دست‌یافته، تغییردهنده بازی است - حرارت هدررفته را از یک بدهی که نیاز به اتلاف پرهزینه دارد، به یک کالای قابل عرضه در بازار که با زیرساخت‌های گرمایش ساختمان و منطقه‌ای موجود سازگار است، تبدیل می‌کند.

جریان منطقی: استدلال به‌طور منطقی از مسئله (هدررفت عظیم انرژی) به یک راه‌حل فنی با کارایی بالا (خنک‌کنندگی اسپری) پیش می‌رود که توسط یک معیار برتر (PUE مبتنی بر اگزرژی) اعتبارسنجی شده است. ارجاع به استاندارد ASHRAE 188 یک حرکت استادانه است، زیرا مستقیماً به یک مانع نظارتی اصلی برای استفاده از حرارت بازیابی‌شده در سیستم‌های آبی می‌پردازد.

نقاط قوت و ضعف: نقاط قوت: PUE مبتنی بر اگزرژی یک معیار درخشان و از نظر علمی دقیق است که باید به استاندارد صنعتی تبدیل شود. داده‌های عملیاتی ۷۰°C قانع‌کننده و عملی هستند. سادگی طراحی - اسپری، جمع‌آوری، تبادل - ظریف است. نقاط ضعف: تحلیل به‌طور قابل توجهی در مورد هزینه‌های سرمایه‌ای (CapEx) و عملیاتی (OpEx) سکوت کرده است. مایع خنک‌کننده دی‌الکتریک گران است و نگهداری سیستم (پمپ‌ها، نازل‌ها، فیلتراسیون) امری پیش‌پاافتاده نیست. مقاله همچنین مقیاس‌پذیری سیستم و چالش لجستیکی یکپارچه‌سازی خروجی حرارت با پروفایل‌های تقاضای بسیار متغیر را نادیده می‌گیرد، نکته‌ای که به‌طور کامل در ادبیات گرمایش منطقه‌ای از آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) مورد بحث قرار گرفته است.

بینش‌های قابل اجرا: 1. برای اپراتورهای استخراج: این فناوری را نه فقط برای بهبود PUE، بلکه برای ایجاد یک خط درآمد جدید از طریق فروش حرارت، به‌صورت پایلوت آزمایش کنید. از روز اول با اپراتورهای گلخانه یا تأسیسات گرمایش منطقه‌ای همکاری کنید. 2. برای سیاست‌گذاران: بازیابی اگزرژی را تشویق کنید، نه فقط بهره‌وری انرژی. اعتبارات مالیاتی یا جبران کربن باید به معیارهایی مانند $PUE_{ex}$ < 1 گره بخورد. 3. برای محققان: گام بعدی، یک تحلیل کامل فناوری-اقتصادی (TEA) و ارزیابی چرخه حیات (LCA) است. بازده زیست‌محیطی کاهش کربن ناشی از جابجایی حرارت را در مقابل تأثیر تولید مایع خنک‌کننده و ساخت سیستم مقایسه کنید.

7. کاربردهای آینده و جهت‌گیری‌ها

پتانسیل فراتر از آب گرم خانگی است.

1. سیستم‌های انرژی یکپارچه: تأسیسات استخراج می‌توانند به‌عنوان دارایی‌های حرارتی انعطاف‌پذیر در شبکه‌های هوشمند عمل کنند و در زمان اوج تقاضا حرارت ارائه دهند یا آن را به‌صورت حرارتی ذخیره کنند.
2. همزیستی صنعتی: استخراج را در مجاورت صنایعی که به حرارت درجه پایین نیاز دارند (مانند خشک‌کردن مواد غذایی، خشک‌کردن چوب، فرآیندهای شیمیایی) قرار دهید.
3. تقویت‌کننده برای پمپ‌های حرارتی: استفاده از خروجی ۷۰°C به‌عنوان منبع می‌تواند به‌طور چشمگیری ضریب عملکرد (COP) پمپ‌های حرارتی منبع هوا یا منبع زمینی را در آب‌وهوای سرد افزایش دهد، مفهومی که توسط تحقیقات آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) پشتیبانی می‌شود.
4. پیشرفت‌های مواد و کنترل: کار آینده باید نانوسیال‌ها را برای افزایش انتقال حرارت و سیستم‌های کنترل مبتنی بر هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی پویای مبادله بین عملکرد تراشه، دمای مایع خنک‌کننده و تقاضای حرارت کاربر نهایی بررسی کند.

8. مراجع

1. Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index. (2023). Cambridge Centre for Alternative Finance.
2. ASHRAE. (2021). Thermal Guidelines for Data Processing Environments.
3. Hampus, A. (2021). Waste Heat Recovery from Bitcoin Mining. Chalmers University of Technology.
4. Enachescu, M. (2022). Carbon Abatement via Data Centre Waste Heat Reuse. Journal of Cleaner Production.
5. Agrodome. (2020). Blockchain Dome Whitepaper.
6. United American Corp. Press Release. (July, 2018).
7. International Energy Agency (IEA). (2022). District Heating Systems.
8. National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2023). Advanced Heat Pump Systems.
9. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE ICCV. (مثال یک چارچوب روش‌شناختی دقیق از علوم کامپیوتر، مشابه چارچوب اگزرژی در اینجا.)