يُعد تعدين البيتكوين عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة، حيث يستهلك الشبكة العالمية ما يقدر بـ 150 تيراواط ساعي سنويًا - وهو ما يتجاوز استهلاك الكهرباء لدول بأكملها مثل الأرجنتين. يتم تحويل الغالبية العظمى من هذه الطاقة الكهربائية في النهاية إلى طاقة حرارية منخفضة الجودة وتُبدد في الغلاف الجوي عبر التبريد بالهواء، مما يمثل تيارًا هائلاً من الهدر. يتناول هذا البحث هذه المشكلة من خلال تقديم نظام متقدم لاستعادة الحرارة لوحدات تعدين العملات المشفرة، باستخدام التبريد المباشر بالرش السائل العازل. يكمن الابتكار الأساسي في رفع درجة حرارة الحرارة المهدورة إلى مستوى مفيد عمليًا (حتى 70 درجة مئوية) وإعادة تعريف تقييم الأداء من خلال مقياس فعالية استخدام الطاقة (PUE) القائم على الإكسيرجي، متجاوزًا المحاسبة التقليدية القائمة على الطاقة.
يتحول النظام المقترح عن التبريد التقليدي بالهواء إلى نهج قائم على السائل في حلقة مغلقة، مما يتيح التقاط ونقل الطاقة الحرارية بكفاءة.
يتم وضع أجهزة التعدين داخل حاوية مغلقة. يتم رش مادة تبريد عازلة (سائل غير موصل) مباشرة على رقائق التعدين (ASICs). تقدم هذه الطريقة معاملات نقل حرارة فائقة مقارنة بالتبريد بالهواء أو حتى التبريد بالغمر، مما يسمح للرقائق بالعمل ضمن حدود درجة حرارة آمنة بينما تمتص مادة التبريد الحرارة بكفاءة. يسمح التلامس المباشر والسعة الحرارية العالية للسائل باستخلاص الحرارة عند درجة حرارة أعلى.
يتم جمع مادة التبريد المسخنة وتدويرها عبر ملف تسخين حلزوني مغمور في خزان معزول لتخزين الماء الساخن سعة 190 لترًا. يعمل هذا كبطارية حرارية، حيث ينقل الحرارة من عملية التعدين إلى إمداد مياه قابل للاستخدام. تم تصميم النظام للتكامل مع أنظمة تدفئة المباني، أو شبكات التدفئة المركزية، أو كمصدر تسخين أولي للغلايات ومضخات الحرارة.
الإسهام المفاهيمي الرئيسي للبحث هو تحدي مقياس PUE القياسي القائم على الطاقة. يعامل PUE التقليدي (طاقة المنشأة الكلية / طاقة معدات تكنولوجيا المعلومات) جميع تدفقات الطاقة على قدم المساواة. ومع ذلك، ليست كل الحرارة متساوية القيمة. يقيس الإكسيرجي الفائدة أو الجودة للطاقة، مع الأخذ في الاعتبار درجة حرارتها بالنسبة للبيئة المحيطة. يقترح المؤلفون مقياس PUE القائم على الإكسيرجي، والذي يأخذ في الاعتبار جودة الطاقة الحرارية المستعادة، مما يوفر صورة أكثر دقة لكفاءة النظام واستدامته.
يمكن تقريب إكسيرجي تيار الحرارة عند درجة الحرارة $T$ (بالكلفن) للأغراض العملية على النحو التالي: $$\text{Exergy}_{\text{thermal}} \approx Q \cdot \left(1 - \frac{T_0}{T}\right)$$ حيث $Q$ هي الطاقة الحرارية (الحرارة) المستعادة، و $T$ هي درجة حرارة مصدر الحرارة، و $T_0$ هي درجة الحرارة المحيطة (الحالة المرجعية). ثم يتم حساب PUE القائم على الإكسيرجي ($\text{PUE}_{\text{ex}}$) على النحو التالي: $$\text{PUE}_{\text{ex}} = \frac{\text{مدخلات الطاقة الكهربائية} - \text{إكسيرجي الحرارة المستعادة}}{\text{مدخلات الطاقة الكهربائية لمعدات تكنولوجيا المعلومات}}$$ تشير قيمة $\text{PUE}_{\text{ex}} < 1$ إلى أن ناتج العمل المفيد (الإكسيرجي) للنظام، بما في ذلك الحرارة عالية الجودة، يتجاوز المدخلات الكهربائية المخصصة للحوسبة، وهو تحول جذري في المنظور.
~150 تيراواط ساعي
> استهلاك الأرجنتين
70°C
في التجربة الميدانية
1.03
قريب من المثالي
0.95
مكسب صافي في الطاقة المفيدة
أظهرت التجربة الميدانية أن نظام التبريد بالرش السائل يمكنه تحقيق درجة حرارة مخرج لمادة التبريد تبلغ 70 درجة مئوية مع الحفاظ على درجات حرارة رقائق التعدين ضمن الحدود التشغيلية الآمنة. هذه نتيجة حاسمة لأن 70 درجة مئوية تعتبر حرارة عالية الجودة ومناسبة للاستخدام المباشر. والأهم من ذلك، أنها تلبي الحد الأدنى لمتطلبات درجة الحرارة لإدارة مخاطر داء الفيالقة في أنظمة مياه المباني وفقًا للمعيار ANSI/ASHRAE Standard 188-2018، مما يتيح التكامل الآمن مع أنظمة الماء الساخن المنزلية.
حقق النظام قيمة PUE قائمة على الطاقة مذهلة بلغت 1.03، مما يشير إلى أن جميع طاقة المنشأة تقريبًا تذهب إلى حمل تكنولوجيا المعلومات مع حد أدنى من النفقات العامة. والأهم من ذلك، أن قيمة PUE القائمة على الإكسيرجي المحسوبة كانت 0.95. هذا الرقم الأقل من 1.0 هو ثوري - فهو يشير إلى أنه عند احتساب الجودة (الإكسيرجي) للحرارة المستعادة عند 70 درجة مئوية، فإن إجمالي الناتج المفيد (الحوسبة + الحرارة عالية الجودة) يتجاوز مدخلات الطاقة الكهربائية المطلوبة للحوسبة نفسها، مما يخلق بشكل فعال مكسبًا صافيًا في الطاقة المفيدة من منظور النظام.
تفتح الحرارة المستعادة عند 70 درجة مئوية تطبيقات متنوعة:
مثال على إطار التحليل (غير برمجي): لتقييم نشر محتمل، يمكن استخدام مصفوفة جدوى مبسطة. لمزرعة تعدين مقترحة بقدرة 1 ميجاواط في مناخ بارد: 1. المدخلات: الحمل الكهربائي (1 ميجاواط)، درجة حرارة مخرج مادة التبريد المتوقعة (65-70 درجة مئوية)، درجة الحرارة المحيطة المحلية، ملف طلب التدفئة للمستخدم المستهدف (مثلًا، بيت محمي). 2. النموذج: تطبيق صيغة الإكسيرجي لحساب الحرارة المفيدة القابلة للاستعادة ($\text{Exergy}_{\text{thermal}}$). 3. المطابقة: مقارنة الملف الزمني والكمي لإمداد الحرارة (ثابت من التعدين) مع الطلب (متغير للتدفئة). عدم التطابق هذا هو التحدي الرئيسي، وغالبًا ما يتطلب تخزينًا حراريًا (مثل الخزان سعة 190 لترًا). 4. الاقتصاديات: حساب النفقات الرأسمالية (نظام التبريد، مبادل حراري، أنابيب) مقابل توفير النفقات التشغيلية (انخفاض تكاليف وقود التدفئة، أرصدة كربون محتملة). تعتمد فترة الاسترداد على أسعار الطاقة المحلية.
يضع البحث التبريد بالرش السائل في مواجهة الطرق الأخرى:
الفكرة الأساسية: هذا البحث ليس مجرد نظام تبريد أفضل؛ إنه إعادة تغليف أساسي لنموذج عمل تعدين العملات المشفرة. يعيد المؤلفون بنجاح تصوير المعدنين من مستهلكين للكهرباء فقط إلى وحدات توليد مشترك للحرارة والطاقة (CHP) محتملة. الاختراق هو تحقيق ناتج 70 درجة مئوية - هذه ليست حرارة "مهدورة"، بل هي سلعة قابلة للبيع تلبي معايير كود البناء. التحول من PUE القائم على الطاقة (1.03) إلى PUE القائم على الإكسيرجي (0.95) هو الحجة القاطعة: فهو يثبت رياضيًا أنه عند درجة الحرارة هذه، يمكن أن يكون التعدين عملية ديناميكية حرارية إيجابية صافية لناتج العمل المفيد، وهو مفهوم له آثار عميقة على تسجيل ESG والقبول التنظيمي.
التسلسل المنطقي: الحجة بسيطة بأناقة: 1) استخدام البيتكوين للطاقة ضخم ومشكل. 2) الحرارة حاليًا تُهدر بالتبريد بالهواء منخفض القيمة. 3) نظامنا بالرش السائل يلتقطها عند درجة حرارة عالية (70 درجة مئوية). 4) درجة الحرارة العالية تعني إكسيرجي عالي (جودة). 5) لذلك، عند احتساب الإكسيرجي، فإن إجمالي الناتج المفيد للنظام يتجاوز مدخلاته الكهربائية (PUE_ex < 1). هذا يحول السرد من "أقل ضررًا" إلى "مفيد محتملًا".
نقاط القوة والضعف: نقاط القوة: نتيجة 70 درجة مئوية الميدانية ملموسة ومقنعة. PUE القائم على الإكسيرجي هو مقياس رائع وصارم أكاديميًا يجب أن يصبح معيارًا صناعيًا. يربط البحث بفعالية الديناميكا الحرارية عالية المستوى مع الهندسة العملية. نقاط الضعف: التحليل منعزل إلى حد ما. فهو لا يتعامل بشكل كامل مع عدم التطابق الزمني - ينتج التعدين حرارة باستمرار، لكن طلب التدفئة موسمي ويومي. الخزان سعة 190 لترًا هو بداية، لكن التخزين الموسمي مشكلة أصعب بكثير. التحليل الاقتصادي خفيف؛ من المرجح أن تكون النفقات الرأسمالية لهذا نظام التبريد المتخصص مقابل التبريد بالهواء القياسي كبيرة، ويعتمد الاسترداد بالكامل على أسعار الحرارة المحلية، التي غالبًا ما تكون منخفضة. كما يتجنب النقاش الأكبر حول آلية إجماع إثبات العمل للبيتكوين نفسها، كما سلطت عليه الضوء دعوات الوكالة الدولية للطاقة المتكررة للكفاءة في القطاع الرقمي.
رؤى قابلة للتطبيق: 1. لمشغلي التعدين: جرب هذه التكنولوجيا ليس فقط للكفاءة، ولكن كخطوة لتنويع الإيرادات. استهدف مواقع ذات طلب حراري قائم على مدار العام (مثلًا، الزراعة الداخلية، شبكات التدفئة المركزية) وأسعار غاز طبيعي/كهرباء مرتفعة. استخدم مقياس PUE القائم على الإكسيرجي في تقارير الاستدامة الخاصة بك. 2. للمستثمرين: قيم مشاريع التعدين ليس فقط على أساس معدل الهاش وتكلفة الكهرباء، ولكن على "إمكانية تحقيق ربح من الحرارة". منجم لديه اتفاقية بيع لماء بدرجة 70 درجة مئوية هو أصل مختلف جوهريًا وأقل مخاطرة من منجم يطلق هواء بدرجة 40 درجة مئوية. 3. لصانعي السياسات: صمم حوافز تكافئ ناتج العمل المفيد، وليس فقط انخفاض PUE. فكر في آليات أرصدة الكربون أو تعريفة شبكة مخفضة للمنشآت التي يمكنها إثبات استعادة إكسيرجي عالية والتكامل في شبكات التدفئة المحلية، مما يحول الحمل الطفيلي بشكل فعال إلى أصل بنية تحتية داعمة. يكمن مستقبل الحوسبة كثيفة الاستهلاك للطاقة في مثل هذا التكافل، كما تقترحه النهج المتكاملة اللازمة لتحقيق أهداف إزالة الكربون الموضحة في تقارير مثل خارطة طريق الوكالة الدولية للطاقة للوصول إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050.