Urejeshaji wa Joto kutokana na Uchimbaji wa Sarafu za Mtandao kwa Teknolojia ya Kupoa kwa Maji: Uchambuzi na Ufahamu

1. Utangulizi

Uchimbaji wa Bitcoin ni mchakato unaotumia nishati nyingi, na mtandao wa ulimwengu unatumia takriban TWh 150 kwa mwaka—kuzidi matumizi ya umeme ya nchi nzima kama Argentina. Kwa kawaida, nishati ya joto kubwa inayozalishwa na Vichanganyiko Maalum vya Uchimbaji (ASICs) hutupwa bure kwenye mazingira kupitia kupoa kwa hewa. Karatasi hii inawasilisha mabadiliko ya dhana: mfumo wa hali ya juu wa urejeshaji wa joto unaotumia kupoa kwa umwagiliaji wa moja kwa moja wa maji. Mfumo huo unakamata joto la taka kwa daraja linaloweza kutumika (hadi 70°C), na kubadilisha shughuli za uchimbaji kutoka kwa watumiaji wa nishati tu kuwa watoaji wa nishati ya joto kwa ajili ya kupokanzwa majengo, mitandao ya wilaya, au michakato ya viwanda.

2. Muundo wa Mfumo & Mbinu

Uvumbuzi wa msingi ni mfumo wa kupoa kwa maji wenye kitanzi kilichofungwa ulioundwa kwa ajili ya mashine za uchimbaji wa sarafu za mtandao.

2.1 Utaratibu wa Kupoa kwa Umwagiliaji wa Maji

Wachimbaji huwekwa ndani ya chumba kilichofungwa na kupozwa kwa kumwagilia kioevu cha dielectric moja kwa moja kwenye chipsi za moto. Njia hii inatoa viwango bora vya uhamisho wa joto ikilinganishwa na kupoa kwa hewa au hata kwa kuzamishwa, na kuruhusu kioevu kupokonya joto kwa ufanisi huku kuhakikisha halijoto ya chipsi ziko ndani ya mipaka salama ya uendeshaji (<85°C). Jaribio la uwanja lilifikia halijoto ya juu zaidi ya kioevu cha kupoa ya 70°C.

2.2 Kipitishio Joto & Tanki la Maji ya Moto

Kioevu cha dielectric kilichopokonya joto husukumwa kupitia kipitishio joto cha coil ya spiral iliyozamishwa kwenye tanki la maji ya moto lenye lita 190 lililopambwa. Nishati ya joto huhamishiwa kwenye maji, ambayo kisha yanaweza kutumika moja kwa moja au kama chanzo kwa pampu ya joto. Muundo huu unakidhi mahitaji ya chini ya 60°C kwa usimamizi wa hatari ya bakteria ya legionella kulingana na Kawaida ya ANSI/ASHRAE 188-2018.

3. Uchambuzi wa Kiufundi & Vipimo

3.1 Nishati dhidi ya Exergy: Ufafanuzi Upya wa PUE

Mchango mkubwa zaidi wa kinadharia wa karatasi hii ni kufafanua upya kipimo cha Ufanisi wa Matumizi ya Nguvu (PUE). PUE ya kawaida (yenye msingi wa nishati) huzingatia tu kiasi cha nishati. Waandishi wanapendekeza PUE yenye msingi wa exergy, ambayo inatathmini ubora au uwezo wa kazi muhimu wa mtiririko wa nishati.

• PUE yenye msingi wa Nishati: 1.03 (Nishati ya Jumla ya Kituo / Nishati ya Vifaa vya IT). Kuwa juu kidogo ya 1 inaonyesha gharama ndogo za ziada.
• PUE yenye msingi wa Exergy: 0.95 (Exergy ya Pato la Joto Muhimu / Exergy ya Ingizo kwa Vifaa vya IT). Thamani chini ya 1 inaonyesha kwamba pato la exergy muhimu (joto la daraja la juu) ni kidogo chini ya ingizo la exergy la umeme, lakini inazingatia kwa usahihi thamani ya joto lililorejeshwa.

Mabadiliko haya ni muhimu. Yanahamisha tathmini kutoka "joto la taka linalozalishwa ni kiasi gani" hadi "joto lenye thamani linalorejeshwa ni kiasi gani," na kuunganisha tathmini za kiuchumi na kimazingira.

3.2 Uundaji wa Kihisabati

Exergy ya mtiririko wa joto kwenye halijoto $T$ (kwenye Kelvin) ikilinganishwa na halijoto ya mazingira $T_0$ inatolewa na kipengele cha Carnot: $$\text{Exergy}_{\text{thermal}} = Q \cdot \left(1 - \frac{T_0}{T}\right)$$ ambapo $Q$ ni kiwango cha uhamisho wa joto. PUE yenye msingi wa exergy ($PUE_{ex}$) basi ni: $$PUE_{ex} = \frac{\text{Exergy}_{\text{input, electrical}} + \text{Exergy}_{\text{input, other}}}{\text{Exergy}_{\text{IT equipment}} + \text{Exergy}_{\text{useful heat output}}}$$ Kwa nguvu ya umeme, exergy ni takriban sawa na nishati. $PUE_{ex}$ ya 0.95 iliyoripotiwa inathibitisha kwa kiasi ufanisi wa mfumo katwa kuimarisha joto la taka.

4. Matokeo ya Majaribio & Utendaji

Mfumo wa mfano ulionyesha kwa mafanikio uendeshaji thabiti. Kupoa kwa umwagiliaji wa maji kuliweka halijoto za makutano ya ASICs ndani ya mipaka salama huku kikifikia halijoto lengwa ya kutoka ya kioevu cha kupoa ya 70°C. Halijoto hii ni muhimu kwa sababu:

1. Inazidi kizingiti cha 60°C cha usalama wa maji ya moto ya nyumbani.
2. Inatoa halijoto ya kutosha kuwa chanzo kinachoweza kutumika kwa mitandao ya kupokanzwa wilaya au kuendesha kwa ufanisi pampu ya joto ya kuongeza nguvu, na kuongeza Mgawo wa Utendaji (COP).

Maelezo ya Chati (Yaliyoelezwa kwa kudokezwa): Chati ya mstari ingeonyesha ongezeko thabiti la halijoto ya kioevu cha kupoa kutoka mazingira (~20°C) hadi kwenye usawa wa 70°C mzigo wa uchimbaji unapofikia 100%. Mstari wa pili ungeonyesha halijoto ya ASIC ikistawi vizuri chini ya 85°C, na kuonyesha kupoa kwa ufanisi. Chati inasisitiza uwezo wa mfumo wa kutoa joto la daraja la juu bila kudhibiti halijoto.

5. Uchambuzi wa Kulinganisha & Masomo ya Kesi

Karatasi hii inalinganisha kupoa kwa maji na njia zinazotumika:

• Kupoa kwa Hewa: Utafiti uliotajwa [3] unaonyesha joto la 5.5–30.5% tu linaloweza kurejeshwa kutoka kwa shamba la 1 MW kwa sababu ya wingi wa chini wa joto la hewa na halijoto. Hadi 94.5% ya nishati ya joto hutupwa.
• Kupoa kwa Kuzamishwa kwa Maji: Inatoa uhamisho bora wa joto kuliko hewa lakini huenda isifikie halijoto za juu za kioevu cha kupoa kama umwagiliaji wa moja kwa moja kwa kikomo fulani cha halijoto ya chipsi.
• Kesi ya Utafiti - Kuba ya Blockchain [5,6]: Kila kuba ya 1.5 MW hutoa 5,000,000 BTU/h ya hewa iliyopokonywa joto kwa ajili ya vyumba vya mimea, na kuonyesha matumizi ya moja kwa moja, ingawa ya daraja la chini, ya joto la uchimbaji.

Mfumo wa umwagiliaji wa maji uliowasilishwa unajipatia nafasi kama suluhisho bora zaidi la kuongeza kiasi na ubora (exergy) wa joto lililorejeshwa.

6. Mfumo wa Uchambuzi: Ufahamu wa Msingi & Ukosoaji

Ufahamu wa Msingi: Utafiti huu sio tu juu ya kupoa wachimbaji vizuri zaidi; ni ubadilishaji wa msingi wa jukumu la uchimbaji wa sarafu za mtandao katika mfumo wa nishati. Kwa kutumia kupoa kwa ufanisi wa juu kwa umwagiliaji wa maji na kuunga mkono uchambuzi wa exergy, waandishi wameweza kufafanua upya mashine za uchimbaji kutoka "watumiaji wakubwa wa nishati" hadi "mitambo ya nishati ya joto inayoweza kusambazwa na kugawanyika." Pato la 70°C lililofikiwa ndilo linachobadilisha mchezo—linabadilisha joto la taka kutoka kwa mzigo unaohitaji utupaji wenye gharama kubwa hadi kuwa bidhaa inayoweza kuuzwa inayolingana na miundombinu ya kupokanzwa majengo na wilaya iliyopo.

Mtiririko wa Kimantiki: Hoja inaendelea kimantiki kutoka kwa tatizo (upotevu mkubwa wa nishati) hadi suluhisho la kiufundi la ufanisi wa juu (kupoa kwa umwagiliaji), lililothibitishwa na kipimo bora (PUE yenye msingi wa exergy). Rejea ya Kawaida ya ASHRAE 188 ni hatua bora, kwani inashughulikia moja kwa moja kikwazo kikubwa cha kisheria cha kutumia joto lililorejeshwa katika mifumo ya maji.

Nguvu & Kasoro: Nguvu: PUE yenye msingi wa exergy ni kipimo kizuri, cha kitaaluma kinachopaswa kuwa kiwango cha tasnia. Data ya uendeshaji ya 70°C ni ya kulazimisha na ya vitendo. Urahisi wa muundo—umwagiliaji, kukusanya, kubadilishana—ni mzuri. Kasoro: Uchambuzi hauzungumzii wazi juu ya Gharama ya Mtaji (CapEx) na Gharama ya Uendeshaji (OpEx). Kioevu cha dielectric ni ghali, na matengenezo ya mfumo (pampu, matobo, uchujaji) si rahisi. Karatasi pia haizungumzii kwa kina kuhusu uwezo wa mfumo wa kuongezeka na changamoto ya kimantiki ya kuunganisha pato la joto na mahitaji yanayobadilika sana, jambo lililojadiliwa kwa kina katika fasihi ya kupokanzwa wilaya kutoka kwa Shirika la Kimataifa la Nishati (IEA).

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: 1. Kwa Waendeshaji wa Uchimbaji: Jaribu teknolojia hii sio tu kwa ajili ya kuboresha PUE, bali pia kuunda chanzo kipya cha mapato kupitia uuzaji wa joto. Shirikiana na waendeshaji wa vyumba vya mimea au huduma za kupokanzwa wilaya tangu siku ya kwanza. 2. Kwa Watunga Sera: Hamasisha urejeshaji wa exergy, sio tu ufanisi wa nishati. Ruzuku za kodi au fidia za kaboni zinapaswa kuunganishwa na vipimo kama $PUE_{ex}$ < 1. 3. Kwa Watafiti: Hatua inayofuata ni uchambuzi kamili wa kiteknolojia na kiuchumi (TEA) na Tathmini ya Mzunguko wa Maisha (LCA). Linganisha faida ya kimazingira ya kupunguzwa kwa kaboni kutokana na uhamisho wa joto dhidi ya athari ya uzalishaji wa kioevu cha kupoa na utengenezaji wa mfumo.

7. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo

Uwezo huo unaenea zaidi ya maji ya moto ya nyumbani.

1. Mifumo Iliyounganishwa ya Nishati: Vituo vya uchimbaji vinaweza kuchukua nafasi ya mali zinazoweza kubadilika za joto katika mitandao mahiri, na kutoa joto wakati wa mahitaji makubwa au kuihifadhi kwa njia ya joto.
2. Ushirikiano wa Viwanda: Weka uchimbaji pamoja na viwanda vinavyohitaji joto la daraja la chini (k.m., ukaushaji wa chakula, kukausha mbao, michakato ya kemikali).
3. Kiongozi cha Pampu za Joto: Kutumia pato la 70°C kama chanzo kunaweza kuongeza kwa kasi sana COP ya pampu za joto za chanzo cha hewa au chanzo cha ardhi katika maeneo yenye baridi kali, dhana inayoungwa mkono na utafiti kutoka kwa Maabara ya Kitaifa ya Nishati ya Kurejeshwa (NREL).
4. Maendeleo ya Nyenzo & Udhibiti: Kazi ya baadaye inapaswa kuchunguza nanofluids ili kuboresha uhamisho wa joto na mifumo ya udhibiti inayoendeshwa na AI ili kuboresha kwa nguvu usawa kati ya utendaji wa chipsi, halijoto ya kioevu cha kupoa, na mahitaji ya joto ya mtumiaji wa mwisho.

8. Marejeo

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. (Mfano wa mfumo wa kina wa mbinu kutoka kwa sayansi ya kompyuta, unaolingana na mfumo wa exergy hapa.)