Integration of sustainable energy sources into data centre electrical systems
Sürdürülebilir enerji kaynaklarının veri merkezi elektrik sistemlerine entegrasyonu
- Tez No: 951261
- Danışmanlar: PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 151
Özet
Bu tez, modern veri merkezlerinin hızla artan enerji taleplerini karşılamak amacıyla sürdürülebilir enerji kaynaklarının veri merkezi elektrik sistemlerine entegrasyonunu incelemektedir. Bulut bilişim, yapay zeka, büyük veri işleme ve Nesnelerin İnterneti (IoT) gibi teknolojilerin hızla gelişmesi ve küresel dijital dönüşümün ivme kazanması, veri merkezlerini modern ekonomilerin vazgeçilmez unsurları haline getirmiştir. Ancak, kesintisiz çalışmak üzere tasarlanan bu enerji yoğun yapılar, güvenilirlik, sürekli erişilebilirlik ve veri işleme güvenliğini sağlamak için kesintisiz faaliyet gösterirler. Bu durum, veri merkezlerini dünya genelinde elektriğin en hızlı büyüyen tüketicilerinden biri haline getirerek hem çevresel hem de ekonomik zorluklara neden olmaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için bu çalışma, yenilenebilir enerji sistemlerinin, özellikle rüzgar ve güneş enerjisinin, veri merkezi operasyonlarına nasıl entegre edilebileceğini araştırarak fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmayı, maliyet verimliliğini artırmayı ve uzun vadeli sürdürülebilirlik hedeflerini desteklemeyi amaçlamaktadır. Asya-Pasifik, Orta Doğu ve Afrika'nın bazı bölgelerinde dijital bağlantının genişlemesiyle veri merkezi altyapısında büyük bir büyüme gözlenirken; Kuzey Amerika ve Avrupa gibi gelişmiş bölgelerde, veri merkezlerinin kapasite artışı ile enerji talepleri hızla yükselmektedir. Bu artış, yapay zeka, blok zinciri teknolojileri ve diğer dijital yüklerin ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla gerçekleşmektedir. Enerji verimliliğini artırmaya yönelik soğutma sistemleri, donanım geliştirmeleri ve tasarımlardaki ilerlemelere rağmen, büyük ölçekli tesislerin genişlemesi ve artan işleme gereksinimleri nedeniyle veri merkezlerinin enerji tüketimi yükselmeye devam etmektedir. Ayrıca, veri merkezlerinin operasyonel doğası gereği yedek enerji kaynakları, jeneratörler ve soğutma altyapısı gibi sistemlerin kullanımı, enerji ayak izlerini daha da artırmaktadır. Bu artan enerji talebi, çevresel ve ekonomik sorunlara yol açmaktadır. Veri merkezlerinin kullandığı elektriğin büyük bir kısmının hâlâ fosil yakıt bazlı enerji şebekelerinden sağlanması, sera gazı emisyonlarına ve iklim değişikliğine önemli katkıda bulunmaktadır. İrlanda, Amerika Birleşik Devletleri ve Singapur gibi veri merkezlerinin yoğun olduğu ülkeler, bu tesislerin enerji ihtiyaçlarını karşılamak ile ulusal karbon azaltma hedeflerini dengelemek arasında giderek artan bir baskı altındadır. Ayrıca, geleneksel enerji kaynaklarına bağımlılık, veri merkezi operatörlerini enerji piyasalarındaki dalgalanmalara karşı savunmasız hale getirerek ekonomik riskler oluşturmaktadır. Bu çalışmada, enerji sistem yapılandırmalarını değerlendirmek için simülasyona dayalı teknik ve ekonomik bir yaklaşım izlenmiştir. Güneş fotovoltaik (PV) sistemleri ve rüzgar türbinleri gibi yenilenebilir enerji kaynakları, şebeke elektriği ile birleştirilerek, hibrit enerji sistemlerinin teknik uygulanabilirliği, ekonomik etkileri ve çevresel faydaları incelenmiştir. Çalışma, şebekeye bağlı bir senaryo ile başlamış ve rüzgar enerjisinin yüksek üretim potansiyeli nedeniyle baskın bir yenilenebilir enerji kaynağı olduğunu ortaya koymuştur. Güneş enerjisinin payı başlangıçta sınırlı kalmış olsa da, güneş ışınımı ve PV kapasitesi gibi sistem parametreleri optimize edildiğinde iyileşmeler gözlemlenmiştir. Yapılan duyarlılık analizleri, rüzgar hızı ve güneş enerjisi gibi kaynaklardaki küçük iyileştirmelerin bile yenilenebilir enerji katkılarını önemli ölçüde artırarak maliyetleri düşürdüğünü ve şebeke bağımlılığını azalttığını göstermiştir. Şebekeye bağlı senaryolara ek olarak, çalışmada veri merkezinin yalnızca yenilenebilir enerji kaynaklarına ve yedek jeneratörlere dayandığı bir şebekeden bağımsız sistem de incelenmiştir. Bu senaryo yeni zorluklar ve fırsatlar ortaya çıkarmıştır. Yenilenebilir enerji üretiminin düşük olduğu dönemlerde yükün karşılanabilmesi için jeneratörler kritik bir rol oynamıştır. Ancak sonuçlar, yakıta dayalı jeneratör kullanımına aşırı bağımlılığın operasyonel maliyetleri artırdığını ve karbon emisyonlarını yükselttiğini göstermiştir. Özellikle veri merkezi yük ölçeği büyüdükçe, yenilenebilir enerji üretimi ve jeneratör kapasitesinin birlikte artan yükü karşılamada yetersiz kalması nedeniyle enerji açığı sorunları ortaya çıkmıştır. Bu durum, jeneratör performansının optimize edilmesi, enerji depolama kapasitesinin iyileştirilmesi ve yenilenebilir enerji katkılarının dengelenmesinin önemini vurgulamaktadır. Yenilenebilir enerji entegrasyonu önemli avantajlar sunarken, araştırma kesinti sorunları, depolama sınırlamaları ve yüksek ilk yatırım maliyetleri gibi zorlukları da ortaya koymuştur. Rüzgar ve güneş kaynaklarındaki değişkenlik, özellikle şebekeden bağımsız senaryolarda, veri merkezlerinin sürekli güç taleplerini karşılama konusunda belirsizlik yaratmıştır. Bu durum, yenilenebilir enerji üretimi ile yük gereksinimleri arasındaki boşluğu doldurmak için lityum-iyon bataryalar gibi enerji depolama çözümlerinin kritik rolünü vurgulamaktadır. Şebekeden bağımsız operasyonlarda, yenilenebilir kaynakları desteklemek için güvenilir ve verimli jeneratörlerin gerekliliği açıkça ortaya çıkmakta; bu da yenilenebilir enerji sistemlerini yedek güçle birleştiren hibrit çözümlerin önemini pekiştirmektedir. Tezin yapısı, bu zorlukları kapsamlı bir şekilde ele alacak şekilde düzenlenmiştir. Birinci bölüm, çalışmanın arka planını, motivasyonunu ve hedeflerini sunarken, yenilenebilir enerji sistemleri ve veri merkezi enerji yönetimi üzerine mevcut araştırmaları incelemiştir. İkinci bölüm, küresel enerji eğilimlerini, veri merkezlerinin karşılaştığı zorlukları ve gelecekteki enerji tüketimi projeksiyonlarını ele alarak sürdürülebilir enerji çözümlerine geçişin aciliyetini vurgulamıştır. Üçüncü bölüm, hibrit sistemlerin tasarımı, parametreler, performans ölçütleri ve kullanılan simülasyon araçlarını detaylandıran yöntemi açıklamıştır. Dördüncü bölüm, hem şebekeye bağlı hem de şebekeden bağımsız senaryolar için duyarlılık analizleri ve performans simülasyonlarını sunmuş, rüzgar, güneş ve jeneratör sistemlerinin değişen koşullar altındaki performanslarını inceleyerek kaynak kullanılabilirliğinin optimize edilmesinin önemini ortaya koymuştur. Beşinci bölüm ise ana bulguları özetlemiş, büyük zorlukları tanımlamış ve gelecekteki iyileştirmelere yönelik önerilerde bulunmuştur. Sonuç olarak, bu araştırma, yenilenebilir enerji kaynaklarının veri merkezi elektrik sistemlerine entegrasyonunun hem şebekeye bağlı hem de şebekeden bağımsız yapılandırmalarda uygulanabilir ve faydalı olduğunu göstermektedir. Şebekeye bağlı sistemler, optimize edildiklerinde yenilenebilir enerji ağırlıklı senaryolarda olduğu gibi şebeke bağımlılığını, operasyonel maliyetleri ve karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltabilir. Öte yandan, şebekeden bağımsız sistemler, yük talebini karşılama açısından şebekeden tamamen bağımsız çalışabilme kapasitesine sahip olamamakla birlikte, yenilenebilir enerji katkıları, enerji depolama çözümleri ve yakıt bazlı jeneratörler arasında dikkatli bir denge kurulmasını gerektirir. Bu sistemlerde kararlılık ve güvenilirliği sağlamak için bu bileşenlerin uyum içinde çalışması kritik önem taşır. İleriye dönük olarak, şebekeden bağımsız sistemlerdeki kesinti sorunları, enerji depolama sınırlamaları ve yakıta bağımlılık gibi zorluklar; gelişmiş enerji depolama çözümlerine, jeneratör optimizasyonuna ve akıllı enerji yönetim stratejilerine duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır. Bu tez, daha yeşil ve daha dayanıklı veri merkezi operasyonlarının temelini atmakta, teknolojik ilerlemeleri küresel sürdürülebilirlik hedefleriyle uyumlu hale getirirken, tesislerin tasarımını ve işleyişini iyileştirmek için operatörlere ve mühendislere önemli pratik çözümler sunmaktadır. Aynı zamanda politika yapıcılara da rehberlik ederek, iklim değişikliğiyle mücadeleye ve yenilenebilir enerjinin tesislerde kullanımının teşvik edilmesine katkıda bulunmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının benimsenmesi, veri merkezlerinin 2050 yılı net-sıfır emisyon hedefleriyle uyum sağlamasına olanak tanırken, enerji bağımsızlığı sayesinde operasyonel dayanıklılıklarını da artırmak için önemli bir yol sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Integration of sustainable energy sources into data centre electrical systems is a critical area of focus given the rapidly rising energy demands of modern data centres. As digital transformation accelerates across the globe, driven by advancements in cloud computing, artificial intelligence, big data processing, Internet of Things (IoT) as well as rapid acceleration of digital transformation, driven by global trends such as remote working, streaming services, and smart technologies, data centres have become indispensable to the functioning of modern economies. However, their energy-intensive nature by design, operating around-the-clock to ensure continuous availability, reliability, and security of data processing and storage, has made them one of the fastest-growing consumers of electricity worldwide, posing significant environmental and economic challenges. To address these issues, this research investigates how renewable energy systems, particularly wind and solar power, can be integrated into data centre operations to reduce dependency on fossil fuels, improve cost efficiency, and support long-term sustainability goals. Emerging markets, particularly in Asia-Pacific, the Middle East, and parts of Africa, are experiencing exponential growth in data centre infrastructure as digital connectivity expands. Simultaneously, developed regions such as North America and Europe are witnessing increasing energy demands as data centres scale up their capacity to meet the needs of AI, blockchain technologies, and other emerging digital workloads. Despite advancements in energy-efficient designs, cooling systems, and hardware, the energy consumption of data centres continues to rise due to higher processing requirements and the expansion of large-scale facilities. Furthermore, the operational nature of data centres requires redundant power supplies, backup systems, and cooling infrastructure, all of which add to their already substantial energy footprint. This surging energy demand leads to both environmental and economic challenges, as much of the electricity consumed by data centres is still sourced from fossil fuel-based power grids, contributing to greenhouse gas emissions and climate change. Countries with high concentrations of data centres, such as Ireland, the United States, and Singapore, are under increasing pressure to balance the energy needs of these facilities with national carbon reduction targets. The reliance on conventional energy sources also exposes data centres to the volatility of energy markets, creating economic risks for operators. This study has followed a simulation-based techno-economic approach to evaluate different energy system configurations, including both grid-connected and off-grid scenarios. By combining renewable resources such as solar photovoltaic systems and wind turbines with grid electricity, the research examined the technical feasibility, economic implications, and environmental impacts of hybrid energy systems. The analysis began with a baseline grid-connected scenario, which revealed wind energy as a dominant renewable contributor due to its generation potential. Solar energy, though initially modest in its share, demonstrated slight improvements when system parameters, such as solar availability and PV capacity, were optimized. Sensitivity analysis highlighted how even small enhancements in wind speed availability could greatly increase renewable contributions, reduce costs, and minimize reliance on grid electricity. In addition to grid-connected simulations, the study also explored an off-grid system where the data centre relied solely on renewable energy sources and backup generators for power. This scenario introduced new challenges and opportunities. The off-grid system required the use of a generator to meet the data centre's load during periods of low renewable energy production. Although the generator played a critical role in stabilizing the system and ensuring continuous power supply, the results revealed that heavy reliance on fuel-based generation led to increased operational costs and higher carbon emissions compared to grid-connected systems. Additionally, the system faced unmet load issues when renewable generation and generator output together could not meet rising demand, especially as the data centre scaled its operations. This analysis highlights the importance of optimizing generator performance, improving energy storage capacity, and balancing renewable contributions to achieve more reliable off-grid systems. While renewable energy integration offers considerable advantages, the research identified challenges related to intermittency, storage limitations, and high initial investment costs. Variations in wind and solar resources introduced uncertainty in meeting the continuous power demands of data centres, particularly in off-grid scenarios. This highlighted the critical role of energy storage solutions, such as lithium-ion batteries, to bridge the gap between renewable generation and load requirements. In off-grid operations, the need for reliable, efficient generators to complement renewable sources becomes evident, reinforcing the importance of hybrid solutions that combine renewables with backup power. The structure of this thesis reflects a comprehensive approach to addressing these challenges. The first chapter introduces the background, motivation, and objectives of the study while reviewing existing research on renewable energy systems and data centre energy management. The second chapter discusses global energy trends, the challenges faced by data centres, and future projections for energy consumption, highlighting the urgency of transitioning to sustainable energy solutions. The third chapter outlines the methodology with block diagrams and simulation tools, including the design of hybrid systems, with parameters and performance metrics, equations and definitions of system components. The fourth chapter provides sensitivity analysis, and performance simulations for both grid-connected and off-grid scenarios as well as presenting the results and analysis of various case studies, illustrating how the integration of wind, solar, and generator systems perform under changing conditions, illustrating the importance of optimizing resource availability. Finally, the fifth chapter summarizes the key findings, identifies major challenges, and proposes recommendations for future improvements. Ultimately, this research demonstrates that integrating renewables into data centre electrical systems is both feasible and beneficial, whether in grid-connected or off-grid configurations. Grid-connected systems, when optimized, can significantly reduce grid dependency, operational costs, and carbon emissions, as shown in the renewable-dominant scenarios. On the other hand, off-grid systems, which is non-capable of achieving independence from the grid, require careful balancing between renewable energy contributions, energy storage, and fuel-based generators to ensure stability and reliability. Moving forward, the challenges of intermittency, energy storage limitations, and fuel dependence in off-grid systems highlight the need for advanced energy storage solutions, generator optimization, and intelligent energy management strategies. This thesis lays the foundation for greener, more resilient data centre operations, aligning technological progress with global sustainability goals, while throwing new light and offers practical solutions that may be of importance in improving operation and design of facilities to the operators and engineers as well as helping policy makers, hence aiding in combating climate change and promoting use and implementation of renewable energy within facilities. The adoption of renewable energy also offers a pathway for data centres to align with global sustainability targets, such as achieving net-zero emissions by 2050, while enhancing their operational resilience through energy independence.
Benzer Tezler
- Mesken elektrik aboneleri için enerji yönetimi sistemi kullanımı
Utilization of energy management systems for residential electricity consumers
HÜSNÜ ALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
- Su altı akıntı türbinlerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği modelinin kurulması ve farklı kanat tasarımlarının performanslarının incelenmesi
CFD modelling of marine current turbines blades and performance analysis of different blades geometries and pitch angles
MUSTAFA GÖKHAN ŞANLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
- Agrivoltaik sistemler ile elektrikli traktörleri şarj etmek için doğru arazilerin saptanması
Determining the right lands to charge electric tractors with agrivoltaics
SAMED PEKDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
- Theoretical modeling of the energy efficiency of a shopping mall
Bir alışveriş merkezinin enerji verimliliğinin teorik modellenmesi
HAMZA ABUALESS
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
EnerjiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR BİLEN
- İlköğretim binalarında etkin günışığı kullanımına ilişkin bir çalışma
A study on the use of effective daylight in primary education buildings
PINAR BİRCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPİN KÖKNEL YENER