地下水層變「熱能電池」 美研究破解資料中心冷卻難題

資料中心冷卻危機 地下水層成解方

隨著AI應用急速擴張，大型資料中心的電力與用水需求已成為全球環境焦點。根據Google 2023年的揭露數據，該公司所有資料中心年度冷卻用水量超過60億加侖，而這些水分多數透過蒸發散熱而永久流失。為了解決這項困境，美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校 Prairie Research Institute 旗下的伊利諾州立地質調查所科學家團隊，提出一項源於自然的創新冷卻方案——含水層熱能儲存（ATES）系統。

ATES系統運作原理

該研究由博士後研究員Upasana Pandey領導，與教授林玉豐（Yu-Feng Lin）及Andrew Stumpf共同主導。ATES系統的核心概念是將地下含水層視為一座巨型天然「熱能電池」。透過「井雙工」配置，系統在夏季抽取深層冷地下水（約華氏55度）供資料中心散熱，經熱交換器吸收伺服器產生的廢熱後，再將升溫的水注回地下儲存；冬季則逆向運作，夏季儲存的熱能可用於建築物採暖。

Pandey指出，資料中心消耗的電力中，10%至40%僅用於冷卻，而傳統冷卻系統的蒸發散熱方式相當於「永久搾乾」當地水源。ATES系統透過善用地球地下穩定溫度的天然特性，可大幅降低冷卻所需的電力，並且不依賴耗能的季節性極端氣候調溫——無需將溫度從華氏90度降至70度，而只需從55度調至70度。

技術可行性高 經濟障礙成主軸

該方案的技術可行性已獲驗證。研究團隊強調，地層鑽探技術在全球石油、天然氣與水井產業中已相當普遍，部署ATES系統的核心技術不存在重大障礙。更重要的是，該系統無需使用飲用淡水——深層鹹水含水層、受污染的地下水，甚至廢棄礦坑積水，均可作為熱能儲存介質，從而保護寶貴的飲用水資源。

伊利諾州被評為最適合推行此技術的地區，原因包括明顯的季節溫差、豐富的地下水資源，以及冰川沉積層具備優異的熱傳導性能。林玉豐表示，水的高熱容量與優異的熱能載體特性在自然界相當罕見，而地下水環境正好能充分利用這些特性進行能源儲存。

然而，最大的瓶頸並非技術而是經濟評估模式。地熱冷卻系統的前期投資成本遠高於傳統冷卻方案，但長期營運成本通常更低。問題在於，許多企業的專案評估周期僅為5至10年，而ATES系統的設計壽命為20至40年。若能將投資評估框架從短期轉向長期，該技術的經濟效益將被重新認可，從而推動大規模採納。

這項研究已正式發表於學術期刊《Groundwater》，為全球資料中心產業提供一套兼顧環境永續與經濟效益的創新冷卻方案。