Дата-центры, заполненные миллионами серверов, являются фундаментом интернета, обслуживая самые разные приложения и задачи: от хранения и трансляции по запросу видеороликов с котятами до обслуживания финансовых операций и рендеринга сложных графических объектов при разработке онлайн-игр.

Учитывая важность дата-центров, многочисленные интернет-корпорации, располагающие множеством собственных ЦОД, включая Microsoft, Amazon и Google, прилагают огромные усилия для обеспечения бесперебойной работы собственной вычислительной инфраструктуры.

Для максимизации аптайма ЦОД требуется наличие резервных источников электроэнергии, роль которых, как правило, играют дизельные генераторы (ДГУ) и аккумуляторные источники бесперебойного питания (ИБП), приходящие на выручку в случае отключения подачи электроэнергии из центральной сети.

Но технологические корпорации дополнительно устанавливают амбициозные климатические цели и дают громкие обещания касательно перевода ЦОД на «зеленое» электричество. К сожалению, данные цели не совсем согласуются с практикой сжигания при эксплуатации ДГУ дизельного топлива, являющегося продуктом переработки «грязных» ископаемых углеводородов.

Корпорация Microsoft, которая давно работает над более экологически чистыми альтернативами, в конце июля 2022 года представила результаты проекта, реализацию которого инженеры софтверного гиганта уже успели сравнить с «моментом посадки на Луну» с точки значимости для индустрии дата-центров. Речь идет об успешной демонстрации крупномасштабного генератора, работающего на водородных топливных элементах.

Водород вызывает все больший ажиотаж во всем мире как универсальное экологически чистое топливо. Microsoft разработала генератор на водороде в рамках пилотного проекта совместно с компанией Plug Power, специализирующейся на топливных элементах и водородной энергетике.

Резервный генератор способен выдавать до 3 мегаватт мощности — достаточно для замены одного дизель-генератора в ЦОД. Подобная установка способна обеспечить электропитание около 10 тыс. серверов в центре обработки данных (или удовлетворить потребности в электричестве примерно 600 домохозяйств, для сравнения).

Microsoft и Plug Power развернули в Латеме, штат Нью-Йорк (США), полноценный резервный генератор на водородных топливных элементах, вырабатывающих электричество, тепло и воду. Большая часть воды высвобождается в виде жидкости, но часть покидает установку в форме пара. Топливные элементы размещены внутри двух транспортных контейнеров длиной 40 футов. В каждом контейнере находится 18 топливных элементов мощностью 125 кВт.

На объекте в Латаме вырабатываемая электроэнергия подается на блоки нагрузки (нагреватели), которые имитируют потребление электроэнергии полноценным дата-центром. Также используются аккумуляторные батареи, которые подключены к функционирующей системе ИБП для подачи электропитания во время работы топливных элементов.

Корпорация Microsoft управляет более чем 2 сотнями дата-центров по всему миру, служащими фундаментом для высокодоходных облачных сервисов, доступных пользователям платформы Azure. У технологических корпораций вроде Microsoft есть множество причин стремиться к экологически чистому резервному электропитанию.

Отказ от дизельного топлива обеспечивает множество ценных бонусов вдобавок к основному моральному императиву. В частности, строителям легче получить разрешение на возведение и эксплуатацию ЦОД без ДГУ ввиду отсутствия источников загрязняющих окружающую среду твердых микрочастиц.

Корпорация Microsoft поставила цель к 2030 году стать углеродно-отрицательной, для достижения которой ЦОД ей фактически придется удалять больше двуокиси углерода из атмосферы, чем выделяется по вине ее вычислительного оборудования и прочей корпоративной инфраструктуры.

Последние четыре года инженеры Microsoft тестируют уменьшенные версии генераторов на водородных топливных элементах. Корпорация вела работу в данном направлении в сотрудничестве с исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо (США), и Power Innovations в Солт-Лейк-Сити. Новейший проект, реализуемый в тандеме с нью-йоркской компанией Plug Power, позволяет генерировать в 36 раз больше электроэнергии, чем самый первый пилотный проект корпорации.

Представители Microsoft отмечают, что инженерная команда корпорации также ведет поиск более эффективных и долговечных аккумуляторных батарей. Кроме того, в распоряжении корпорации имеется центр обработки данных в Швеции, где используются генераторы, работающие на более безопасном для климата дизельном топливе, частично изготовленном из возобновляемого сырья.

Система, разработанная при содействии Plug Power, использует так называемую протонообменную мембрану (PEM). Данная технология изготовления топливных элементов предполагает возможность выработки электричества и тепла, комбинируя водород и кислород. «Отходом», возникающим в ходе данного процесса, является вода.

В ячейки топливного элемента подается водород, образующийся в качестве побочного продукта при промышленном производстве хлора и гидроксида натрия. Подобная разновидность топлива считается «голубым водородом», поступающим из сравнительно безопасного источника с точки зрения влияния на климат (в данном случае топливо производится с использованием природного газа, который, справедливости ради, является разновидностью ископаемого топлива). В будущем Microsoft планирует перейти на экологически нейтральный «зеленый водород» в качестве топлива, но сейчас запасы ограничены.

Инженеры Microsoft и Plug Power тестировали новую систему в течение нескольких недель в июне 2022 года. Признав результаты тестирования прототипа успешными, команда Plug Power приступила к разработке оптимизированной коммерческой версии. Представители Microsoft, в свою очередь, заявили о намерении в следующий раз установить систему в исследовательском центре обработки данных, но пока не уточнили дату внедрения технологии в одном из действующих ЦОД.

Представители софтверного гиганта также отказались сообщать, сколько именно дизельных генераторов сейчас используется в ЦОД корпорации по всему миру, отметив лишь, что в дата-центрах развернуто «более сотни» подобных устройств. По оценкам Google, в мире эксплуатируются резервные дизельные генераторы общей мощностью около 20 гигаватт.

Но даже с учетом подобных масштабов углеродный след ДГУ дата-центров далеко не гигантский. По крайней мере, согласно оценкам экспертов Международного энергетического агентства (МЭА). Аналитики организации полагают, что выбросы от резервных дизельных генераторов составляют небольшую долю общего углеродного следа бизнеса в случае многих операторов крупных дата-центров. Поэтому непосредственная польза для климата от перехода с ДГУ на топливные элементы, вероятно, окажется небольшой.

Гораздо больше пользы, по мнению экспертов МЭА, принесет распространение подобной технологии в других секторах, субъекты которых в значительной степени полагаются на дизельные генераторы. Речь, в частности, идет об объектах медицинской инфраструктуры вроде больниц. Популяризация данного тренда действительно способна принести пользу человечеству, стимулируя трансформацию электросети и сокращая вредные выбросы в долгосрочной перспективе.

Но есть еще препятствия, требующие преодоления, прежде чем водородные топливные элементы станут более распространенным решением. В частности, водород уступает дизельному топливу с точки зрения энергетической плотности, поэтому нужно использовать гораздо больше места для хранения водородного топлива. Кроме того, сегодня отсутствуют надежные цепочки поставок водорода: невозможно гарантировать непрерывные поставки топлива, когда резервы иссякнут.

Инженеры Microsoft согласились с тем, что поставщиков топливных элементов сегодня недостаточно много для действительно жесткой конкурентной борьбы, способствующей технологическим прорывам, а «зеленый» водород и вовсе сейчас в дефиците. Например, команда Microsoft пока не может найти поставщиков, производящих системы электроснабжения на топливных элементах типа PEM, достаточно мощных для удовлетворения потребностей центров обработки данных корпорации.

Но существует множество потенциальных приложений для данного ресурса и топливных элементов. Усилия софтверного гиганта по их популяризации способны помочь раскрытию потенциала рассматриваемой технологии, стимулируя рост рынка и вспомогательной инфраструктуры, что в конечном итоге заложит основу для «водородной экономики» будущего.